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Jun 17, 2023

MIT エンジニアは切り紙を使用して超強力で軽量な構造物を作成

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細胞固体は、蜂の巣のように、密集した多数の細胞で構成される材料です。 これらのセルの形状は、剛性や強度を含む材料の機械的特性を主に決定します。 たとえば、骨には天然素材が充填されているため、軽量でありながら硬く、強度が高くなります。

自然界に見られる骨やその他の細胞固体からインスピレーションを得て、人間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単位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カスタマイズできます。 建築材料は、衝撃吸収用の発泡パッキングから熱調整用のラジエーターに至るまで、多くの用途に使用されています。

MITの研究者らは、紙を折ったり切ったりする日本古来の芸術である切り紙を使用して、プレート格子として知られる一種の高性能建築材料を、これまで科学者が積層造形によって達成できた規模よりもはるかに大規模に製造した。 この技術により、カスタム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することができます。

「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、強度と剛性が高くなります」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。

研究者らは、多数の小さなコンポーネントを形成、折り畳み、組み立てて 3D 形状にするモジュール構造プロセスを開発しました。 この方法を使用して、指定された荷重下で変形してその形状を保持できる超軽量かつ超強度の構造体とロボットを製造しました。

これらの構造は軽量でありながら強度があり、剛性が高く、大規模な大量生産が比較的容易であるため、建築、飛行機、自動車、または航空宇宙のコンポーネントに特に役立つ可能性があります。

この論文ではガーシェンフェルド氏に加え、共同筆頭著者である CBA の研究助手であるアルフォンソ・パラ・ルビオ氏と、MIT 電気工学およびコンピュータサイエンスの大学院生であるクララ・ムンディロバ氏も加わっています。 CBAの大学院生であるDavid Preiss氏とともに。 そしてマサチューセッツ工科大学コンピューターサイエンス教授のエリック・D・ディメイン氏。 この研究は、ASME の Computers and Information in Engineering Conference で発表されます。

折り曲げて製作する

格子などの建築材料は、サンドイッチ構造として知られる一種の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、飛行機の翼を思い浮かべてください。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します。 高い剛性と強度を持ちながら、非常に軽量なトラス格子です。

プレート格子は、梁ではなく、プレートの 3 次元交差から作られたセル構造です。 これらの高性能構造は、トラス格子よりもさらに強くて硬いですが、その複雑な形状により、特に大規模なエンジニアリング用途では、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が困難になります。

MIT の研究者らは、7 世紀の日本の芸術家にその歴史を遡る、紙を折ったり切ったりして 3D 形状を作る技術である切り紙を使用して、これらの製造上の課題を克服しました。

切り紙は、部分的に折り畳まれたジグザグの折り目から板格子を生成するために使用されてきました。 しかし、サンドイッチ構造を作るには、この波形コアの上下に平らなプレートを、ジグザグの折り目によって形成された狭い点に取り付ける必要があります。 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る可能性があります。