日本古来の芸術様式からインスピレーションを得た超強力軽量素材

Aug 02, 2023

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切り紙と呼ばれる紙を折ったり切ったりする日本古来の芸術は、過去には 3D プリント技術、より強力な取り外し可能なテープ、さらには靴のコーティングの開発に使用されてきました。 優れた製品を生み出す新しいやり方を刺激するため、その用途は数多くあります。

火曜日に発表されたプレスリリースによると、MITのエンジニアはこの技術形式を利用して、プレート格子として知られる一種の高性能で超強力でありながら非常に軽い材料を開発したという。

「この素材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、高い強度と剛性を備えています」と、MIT ビット・アトムセンター (CBA) を率い、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ています。

エンジニアは、小さなコンポーネントを形成、折り曲げ、3D 形状に組み立てるモジュラー構造プロセスを使用して、プレート格子を製造することができました。

これらは、梁ではなくプレートの 3 次元交差で構成されるセル構造であり、トラス格子よりも強度と剛性が高くなります。

ただし、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のは複雑であることで知られています。 そこで登場したのが切り紙です。

この芸術形式は 7 世紀に遡り、これまでのところ、部分的に折り畳まれたジグザグの折り目からプレート格子を製造するためにうまく使用されています。 MITの研究者らは、ミウラ折りパターンとして知られる一般的な折り紙の折り目パターンを修正することでこのプロセスをさらに強化し、波形構造の鋭い点をファセットに変換した。 ファセットは、ボルトやリベットを使用せずにプレートを取り付けることができる平らな表面として機能します。 これにより、サンドイッチ構造の作成が可能になります。

「プレート格子は、同じ重量と内部構造を維持しながら、強度と剛性において梁格子よりも優れています」とCBAの研究助手であるパラ・ルビオ氏は述べています。

「理論上の剛性と強度の HS 上限に到達することは、2 光子リソグラフィーを使用したナノスケール生産によって実証されています。 プレート格子の構築は非常に困難であるため、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、この種の金属製のプレート構造をより簡単に利用するには、折り畳みが有効だと考えています。」

新しいプロセスでは、エンジニアがこのデータを切り紙波形の作成に使用される折り目マップにエンコードすることで、新しい材料の剛性、強度、曲げ弾性率を制御することもできます。

研究者らは、Zund カッティング テーブルと呼ばれる独自の機械を使用して、より大きな構造物に便利なモジュール式組み立てプロセスも考案しました。

「自動車や飛行機などを作るには、工具に巨額の投資がかかります。 この製造プロセスには、3D プリントのような工具は使用されません。 しかし、3D プリントとは異なり、私たちのプロセスはレコード素材の特性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語った。

現在、研究者らは、これらの切り紙にインスピレーションを得た構造物のために特別に開発された、ユーザーフレンドリーな CAD 設計ツールの開発に取り組んでいます。 これまでのところ、エンジニアと大学院生のチームは新しいプロセスを使用して大きなアルミニウムのアート作品を作成しており、現在は MIT メディア ラボで公開されています。

「結局のところ、この芸術的な作品は、私たちが論文で示している数学と工学の貢献のおかげでのみ可能です。 しかし、私たちは自分たちの作品が持つ美的な力を無視したくありません」とルビオ氏は語った。

アートワークの長さは数メートルですが、新しいシステムの効率のおかげで制作にかかる時間はわずか数時間でした。