弾性シェル構造体の柔軟な幾何学変形と力学機能デザイン：ソフトマターから生物まで
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19J22381
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
米田 大樹 立命館大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 弾性シェル / 幾何力学 / 多安定性 / 構造力学 / 折り切り紙 / スナップ座屈 / 幾何学的剛性 / セルフロック機構 / 多重安定性 |
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| Outline of Research at the Start |
伸び縮みできる特定の膜の構造は、ある安定な形状から別の安定な形状に飛び移って変形する多重安定性を持つ。身近な例としては曲がるストローが挙げられる。ストローの曲がる部分は、伸び、縮み、曲げの3形状が安定で、その途中形状で形を留めておけない。
経験的に多重安定性を薄い構造はいくつも知られているが、どのような形状と伸縮の力が作用して多重安定性が発現するのか、定量的な予測はまだ確立していない。そこで本研究では、力学と幾何学の両面から多重安定性が得られる条件を明らかにする。
将来的にこの研究は、昆虫の羽や花弁の展開など、多重安定性を利用する多くの弾性薄膜構造を理解することに繋がる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
折り紙や切り紙のようなうすい材料からなる構造は、大きなシートを小さく折りたたんで収納しまた可逆な駆動で展開できるという構造利点がある。前年度に引き続き、折り切り紙構造の展開における多安定性に注目した。変形と弾性力が密接に相互作用することで、弾性変形によってある安定な形状から別の安定な形状に遷移する機能を創発する例がある。ただし、無数にある展開構造の駆動と多安定性の機能を統一して定量的に予想する洞察は、まだ限定的である。そこで多安定性のある特定の構造をワーキングモデルとして、力学模型による実験と、有限要素法解析、理論考察の3つの手法を組み合わせて、その駆動の仕組みを詳細にわたって明らかにした。
ワーキングモデルとして、平面シートから三次元構造を形成するRES (Rotational Erection System) という設計手法を取り上げた。折りと切りを組み合わせることで、折り紙が持たない、横方向の系のサイズを維持したまま縦方向に立体化できる機能と、切り紙には実現が難しい、形状の多重安定性を同時に発現させている。折り目と切り目の幾何的パターンにもとづくと、この系は剛体折りで展開できないが、面の弾性を伴った曲げ変形によって、エネルギー的に離散した2つの形状を繋ぐ物理的な経路ができていることを実証できた。これによってRES多安定の機能が生まれていることが明らかになった。安定状態間のエネルギーバリアは、構造のサイズには依存せず、曲げ変形が最も顕著に起こる部位のアスペクト比にのみ依存することも示した。また立ち上がった状態のRESは、その独特なセルフロックの機構によって剛性を発揮し、強い耐荷重の機能も有することを示した。これらの研究成果は、アメリカ物理学会誌Physical Review Applied に論文が掲載され、Editors' Suggestion にも選出された。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(4 results)
