折紙工学 -折紙の特徴や機能を製品創出に生かす-

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2018/04/19 科学技術予測センター:中島 潤(特別研究員)

折紙工学とは

2000年前後、当時京都大学の野島武敏博士が、折り畳み型の円筒、円錐や円形膜などを発表しました1~3)。そして、この折り畳み可能という機能が製品の軽量化や保管を容易にするなど新たな価値の付与、産業創出につながると考え、更には、折紙の特徴や機能を備えた製品のモデル化や加工法などを総称して、2002年に折紙工学を提唱しました4)。以降、多くの研究者が研究の推進及び研究コミュニティの拡大を進めており、現在は、この折紙工学の概念に基づいた研究の成果を製品に生かす動きが大変活発になってきています。有名な「ミウラ折り」5)以外にも、将来社会にインパクトを与えるような研究の兆しを一部紹介します。

最新の研究動向

一言で折紙工学と言っても、現在は様々なアプローチにより研究領域が広がっています。

明治大学の萩原一郎特任教授の研究室では、自動車が衝突した際に乗員への被害を軽減させるためのエネルギー吸収部材(図表1)への応用6)など、折紙工学の産業応用へ積極的に取り組んでいます。また、折紙式3次元プリンターシステム7)(注1)や自動で折り、糊付けまで可能な折紙ロボット(図表2)といった、生産技術に関連した研究開発も進めています。

図表1 : 折紙構造を生かした自動車エネルギー吸収部材

図表2 : 糊付けまで可能な折紙ロボット

注1: 立体物の3Dスキャンデータを入力し、それを折り紙が出来る2次元の展開図として出力することで、元の立体物に近い構造物を造形することができる3次元プリンター

折紙の「軽くて強い」「展開収縮できる」という特徴を活かした建築構造物への応用研究も進められています。東京大学の舘知宏准教授らは、折りによって作られる立体形状,折り畳みや展開メカニズムなどの数理計算によって折紙の特徴を活かした構造物の建築分野への活用を研究しています。紙の場合、材料の厚みを考慮せずに折りによって立体構造を作り出せますが、建築物や工業製品では、強度上、厚みのある材料を歪ませずに折り畳む構造を考えなければなりません。この、厚みのある材料を歪ませずに折り畳める「剛体折紙」8)(注2)の複合理論を応用し、畳むと柔らかくコンパクトで、展開すると硬くなり十分な強度を要した構造物(図表3)など全く新しい建築構造物を提案しています。

図表3 : 展開すると硬くなる構造物 (左)展開時、(右)折り畳み時

注2 : 折れ線に囲まれた平面は変形しない、平面が剛体パネル、折れ線が回転ヒンジで接合された構造体のモデル

明治大学の石田祥子専任講師らは、折り畳み構造の“双安定”という力学的特性を利用した新しい防振機構(図表4)の研究を進めています。双安定とは、立体に展開された状態と完全に折り畳まれた状態の双方で構造が安定することを指します。この双安定な機構と線形ばねを組合せると、フックの法則 F=kx の  k:ばね定数  が理論的に0になる領域が折り畳まれた状態と展開された状態の中間的に存在することが示され、その特徴を生かすことで、有力な防振機構となる可能性が示されています9)

図表4 : 防振機構のプロトタイプとその防振理論

東京大学の斉藤一哉特任講師らは、一部の昆虫の、飛翔のための翅の折り畳み構造の解析10)(図表5)を進めています。昆虫の進化の過程で得られた、大きな構造をコンパクトに折り畳む技術、またそのメカニズムを傘や扇子等の日用品から人工の展開翼などへ生かす応用研究が進んでいます。

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