自然界の骨やその他の細胞固体からインスピレーションを得て、人類は同じ概念を使用して建築材料を開発してきました。これらの材料を構成するセルの形状を変更することで、研究者は材料の機械的、熱的、または音響的特性を調整できます。建築資材は、衝撃吸収用の包装用フォームから温度調節用のラジエーターまで、幅広い用途に使用されています。
MIT の研究者は、日本の切り紙と折り紙の芸術である切り紙を使用して、剛性や柔軟性などの調整可能な機械的特性を備えた超強力で軽量な材料を開発しました。これらの材料は、航空機、自動車、宇宙船に使用できます。画像出典：研究者提供
MITの研究者らは、波形構造の鋭利な点がファセットになるように、一般的な折り紙の折り目パターンを修正した。これらのファセットは、ダイヤモンドのファセットと同様に、プレートをボルトやリベットでより簡単に固定できる平らな表面を提供します。画像出典：研究者提供
マサチューセッツ工科大学の研究者らは、日本古来の折り紙と切り紙の芸術である「切り紙」を利用して、科学者が積層造形によってこれまで達成できたものをはるかに超える規模で、「格子」と呼ばれる高性能構造材料を作成した。この技術により、カスタマイズされた形状と特別に調整された機械的特性を備えた金属またはその他の材料からこれらの構造を作成できるようになります。
「この材料はスチールコルクのようなものです。コルクよりも軽いですが、高い強度と剛性を持っています」と、MITビット・アトムセンター（CBA）の所長であり、このアプローチに関する新しい論文の上級著者であるニール・ガーシェンフェルド教授は述べた。
研究者らは、多数の小さな部品を形成し、折り曲げて三次元形状に組み立てるモジュール式製造プロセスを開発した。このアプローチを使用して、特定の荷重下で変形して形状を維持できる超軽量、超強度の構造体とロボットを作成します。
研究者らは、柔軟な表面上で鋼線に張力を与え、滑車とモーターのシステムに接続することで波形構造を作動させ、どちらの方向にも曲げることができるようにしました。画像出典：研究者提供
これらの構造は軽量で、強度があり、剛性が高く、大量生産が比較的容易であるため、建築、航空機、自動車、または航空宇宙部品に特に役立ちます。
また、ガーシェンフェルド氏とともにこの論文を執筆しているのは、共同筆頭著者であるCBA研究助手のアルフォンソ・パラ・ルビオ氏とMIT電気工学・コンピュータサイエンス大学院生のクララ・ムンディロバ氏、そしてCBA大学院生のデイビッド・プレイス氏とMITコンピュータサイエンス教授のエリック・D・デメイン氏です。研究結果は、米国機械学会のコンピュータと情報工学会議で発表されました。
格子のような構造材料は、サンドイッチ構造として知られる複合材料のコアとしてよく使用されます。サンドイッチ構造を想像するには、一連の交差する斜めの梁が上部パネルと底部パネルの間に挟まれた格子コアを形成する飛行機の翼を想像してください。このトラス構造は高い剛性と強度を持ちながら、非常に軽量です。
パネル格子は、梁ではなくプレートの 3 次元交差で構成されるハニカム構造です。これらの高性能構造の強度と剛性はトラス格子の強度と剛性をも上回りますが、形状が複雑なため、3D プリンティングなどの一般的な技術を使用して製造することは、特に大規模なエンジニアリング用途では困難です。
MIT の研究者らは、7 世紀の日本の芸術家に遡る、紙を折ったり切ったりして 3D 形状を作成する技術である桐紙を使用して、これらの製造上の課題を克服しました。
研究者らは、この方法を使用して、圧縮強度が 62 キロニュートンを超え、重量は 1 平方メートルあたりわずか 90 キログラムのアルミニウム構造を作成しました。画像出典：研究者提供
切り紙は、部分的に折り畳まれたジグザグの折り目を利用してパネルを作成するために使用されます。しかし、サンドイッチ構造を作るには、平らなシートを波形コアの上部と下部に取り付けてから、ヘリンボーンの折り目によって作られた狭い部分に取り付けなければなりません。これには強力な接着剤や溶接技術が必要になることが多く、組み立てに時間がかかり、コストがかかり、スケール調整が困難になります。
MITの研究者らは、波形構造の鋭利な点がファセットになるように、一般的な折り紙の折り目パターンを修正した。これらのファセットは、ダイヤモンドのファセットと同様に、プレートをボルトやリベットでより簡単に固定できる平らな表面を提供します。
「プレート格子は、重量と内部構造が一定のままでありながら、強度と剛性の点で梁格子よりも優れています」とパラ・ルビオ氏は述べています。 「ナノスケールの製造に二光子リソグラフィーを使用することにより、理論的な剛性と強度は H-S の上限に達しました。プレート格子は構築が非常に難しいため、マクロスケールでの研究はほとんど行われていません。私たちは、折り畳みがこのような金属製のプレート状構造の利用を容易にする手段であると信じています。」
さらに、研究者がパターンを設計、折り曲げ、切断する方法によって、剛性、強度、曲げ弾性率（曲げに抵抗する材料の傾向）などの特定の機械的特性を調整することができました。彼らは、この情報を 3 次元形状とともに折り目マップにエンコードし、それを使用してこれらのゼリー状の紙の波紋を作成しました。
たとえば、プリーツの設計方法に応じて、一部のセルは圧縮されたときにその形状を維持するように成形できますが、他のセルは曲がるように変更できます。このようにして、研究者は、圧縮下で構造のさまざまな領域がどのように変形するかを正確に制御できます。
構造の柔軟性は制御できるため、これらの波形は、部品を動かしたり、ねじったり、曲げたりするロボットやその他の動的用途に使用できます。
ロボットのような大きな構造物を作るために、研究者はモジュール式の組み立てプロセスを使用します。彼らはより小さな折り目パターンを大量生産し、それらを超軽量で超強力な三次元構造に組み立てます。構造が小さくなり、しわが少なくなり、製造プロセスが簡素化されます。
研究者らは、修正されたミウラ折りパターンを使用して、望ましい形状と構造特性を生み出す折り目パターンを作成しました。次に、独自の機械である Zund カッティング テーブルを使用して、平らな金属シートを切り出し、三次元の形状に折り曲げました。
「自動車や飛行機などの製品を製造するには、金型に多額の投資が必要です。この製造プロセスには、3D プリンティングのようなツールは必要ありません。しかし、3D プリンティングとは異なり、私たちのプロセスは材料特性の記録に限界を設定する可能性があります」とガーシェンフェルド氏は述べています。
彼らの方法を使用して、彼らは 62 キロニュートンを超える圧縮強度を持ちながら、重量は 1 平方メートルあたりわずか 90 キログラムのアルミニウム構造を作成しました。 （コルクの重さは1平方メートルあたり約100キロ）その構造は非常に丈夫で、通常のアルミ波形の3倍の力に耐えることができます。
この多用途技術は鋼鉄や複合材料などの幅広い材料に使用できるため、航空機、自動車、宇宙船用の軽量衝撃吸収コンポーネントの製造に最適です。
しかし、研究者らは、彼らのアプローチをモデル化するのが難しい可能性があることを発見しました。したがって、将来的には、これらのグリッド構造用の使いやすい CAD 設計ツールを開発する予定です。さらに、設計に必要なパフォーマンスをシミュレーションするための計算コストを削減する方法を模索したいと考えています。
パラ・ルビオ氏、モンディロバ氏、その他の MIT 大学院生もこの技術を使用して、アルミニウム複合材料から 3 つの大きな折り畳まれたアートワークを作成しました。これらの作品は、MIT メディア ラボで展示されています。それぞれの作品の長さは数メートルですが、構築にかかる時間はわずか数時間です。
「最終的に、このアートワークは、私たちが論文で実証した数学的および工学的貢献のおかげでのみ可能になります。しかし、私たちはまた、私たちの作品の美的力を見失いたくありません」とパラルビオ氏は語った。