| 研究課題/領域番号 |
23K22463
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01192 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 立命館大学 |
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研究代表者 |
和田 浩史 立命館大学, 理工学部, 教授 (50456753)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2024年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
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| キーワード | メカニカルメタマテリアル / セル構造体 / 弾性薄膜 / メタプレート / デジタルファブリケーション / 弾性プレート |
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| 研究開始時の研究の概要 |
一部のメカニカルメタマテリアルは、いわゆる「セル構造体」を基礎とする。私たちは、工学で深く調べられてきたこの分野が、物理学者によってきちんと基礎づけられていないことを不思議に感じた。ハニカム構造には膨大な研究例があるが、その多くは面内特性についてである。本研究では、メタプレートともいうべき構造の湾曲特性とそのガウス曲率の起源を、物理学的なアプローチで解明する。それをもとに、単純ながら新しい力学特性を持つマテリアル構造をデザインし、作成する。力学的な視点からみると、機能性の生物素材から、幾何学的なソフトマター、そして建築構造まで、セル構造体は幅広い研究対象と深い結びつきがある。
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、セル構造体からなる弾性プレート(以降、これをメタプレートと呼ぶ)の力学特性を、理論と実験の両面から特徴付けることである。計画２年目である23年度は、規則的な正方格子構造をもつ弾性プレートについて、22年度に引き続き、申請書の研究計画に沿ってさらに研究を実施した。まず、主に22年度に得た成果を論文としてまとめ学術誌に投稿した。この査読の過程で、面外ポアソン比のサイズスケーリング則をさらに詳しく調べることが要求され、それに応じる研究を実施した。これについては主に有限要素解析計算を実施した。これまでよりも大きなサイズで多数の計算を実施し、我々が理論的に得たサイズスケーリングを適用することで、各密度ごとに得られる面外ポアソン比のサイズ依存性を示す関数形全体が、適切にスケーリングすることを示すことができた。また、我々は主に３点曲げ試験によってプレートの変形の性質を詳しく調べてきたが、それとは独立に純曲げ試験も実施し、二つの測定からえらえる面外ポアソン比が幅広いパラメータにおいて十分な精度で一致することを確認した。これらの結果は、22年度に得た実験および数値計算結果の正しさを補強する結果であり、全体として非常に説得力のある研究成果が得られた、と我々は考えている。また、この過程でメタプレートの面外変形の弾性定数を数係数まで含めて詳しく決定すべきであるという考えに至った。これについては、意外にも過去に研究報告がない。現在、もっとも標準的なハニカム構造のプレートに対して、この課題に取り組んでおり、理論と実験が一致する良好な結果を得ている。さらに、主テーマと深く関連する周辺テーマにおいて論文を３編出版することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「研究実績の概要」に記載のとおり、研究は順調に進んでいると感じている。主テーマにかんする論文の出版は、当初の予定より少し遅れているが、リバイズの過程でさらに研究内容を深める成果が数多く得られた。当初予定していなかった大きな技術的困難や問題にも直面していない。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究計画は残り２年間である。今年度も、基本的には研究計画書に沿って研究を推進する。と同時に、研究開始時から現在までに得た新しい知見を生かして、今後の研究をさらに新しい方向へ展開する。
まず、実績報告にあるとおり、標準的なセル構造体であるハニカム構造のプレートに注目し、その面外変形（まげおよびねじれ）に対する剛性を、定量的に決定する。このような基本的な物理量がいまだに深く調べられていないことは少し驚きであり、地味なテーマであるが重要性は高いと考えている。今年度中に主要な結果をまとめ、学術誌で報告することを目指す。
さらに、標準的な格子構造だけでなく、カイラルな構造を持ったものや、オーセンティックな性質を示すものなど、エキゾチックなセル構造体からなるメタプレートについても研究を展開する。理論的には、角運動量を独立変数として扱うよう連続体理論を拡張した枠組みを応用する必要があり、理論的な側面からも興味深いテーマである。
研究の進め方としては、初年度に引き続き、3Dプリンタを使った模型の作成、物理実験、有限要素解析によるシミュレーションを組み合わせる。同時に、線形弾 性論にもとづく理論解析を発展させ、実験および数値実験のデータを定量的に説明する。
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