Designing principles of mechanical metamaterials based on the studies of heterogeneous elastic materials
| Project/Area Number |
18K13519
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Keio University (2021-2023)
Ritsumeikan University (2018) |
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Principal Investigator |
佐野 友彦 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (00791378)
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| Project Period (FY) |
2021-03-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | メカニカルメタマテリアル / 力学と幾何学 / 弾性論 / しなやかな材料 / 力学 / 幾何学 / しなやかな構造 / シェルの力学 / 複雑系 / ソフトマター / Crumpled paper / ソフトマター物理 / 構造力学 |
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| Outline of Research at the Start |
複雑な内部自由度をもつ構造物の力学応答をデザインする指針を明らかにする。一般に、自然な構造物では通常起こり得ない特異な力学特性を示す材料は、メカニカルメタマテリアルと呼ばれる。構造を圧縮すると通常は圧縮方向に垂直にふくらむ(ポアソン比が正)が、逆に垂直にも縮むもの(ポアソン比が負)が例として挙げられる。メカニカルメタマテリアルは対称性の高い内部構造を用いて開発されており、その非対称性や乱れが全体に与える影響は明らかにされていない。本研究は構造の乱れと不均一性がメカニカルメタマテリアルに与える影響を系統的に考察することにより、力学応答を自在にデザインするための指針を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
微細構造を精緻にデザイン可能なシェルとしたシェル構造の集合体の力学応答を実験的に明らかにすることを目的として研究を行い，論文を出版した．シェル集合体の負荷除荷サイクル試験のシミュレーションと実験を比較する過程で，シェル同士は複雑に力を及ぼしあうことがわかった．昨年度は２つのシェルを対称軸を合わせた状態で押し付け合った際にType I とIIの２種類のはめあいモードがあることを発見した．集合体を圧縮するとシェルはランダムに配列されているため，シェル同士が転がり合うモードが見られた．集合体の力学特性を予測するためには転がりモードの力学特性を調査する必要があることがわかった．
メカニカルメタマテリアルの例の一つとして折り紙が挙げられる．本研究の対象とする乱れたメカニカルメタマテリアルの例として，折り紙に対する力学試験を実施した．折り紙の最も単純な形状である角錐を取り上げた．近年、円錐形のシェルに鉛直方向から撃力を加えると、同様のパターンがロバストに出現することがGottesman(2018)らによって報告された．彼らの研究によると、出現するダイヤモンドの法線方向の長さと、円錐の頂点からの距離に相関関係があることが分かっているが、ダイヤモンドパターンを発生させるメカニズムは完全には理解されていない．
本研究では、点欠陥に加えて線欠陥にも着目し、同様の撃力を加えて破断させ、どのようなパターンが出現するかを調べた．実験の結果、角錐は円錐よりも速く座屈することに加え、撃力を与えた際により転倒しやすいことが示唆された．
角錐は、撃力の作用点付近で起こるローカルな変形に加えて、作用点から離れた点で起こるノンローカルな変形も観察された．ノンローカルな変形はGottesmanの先行研究では報告されておらず、新しい変形モードとみなせる可能性がある．
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Report
(4 results)
Research Products
(22 results)
