キリガミは、紙を切って折る折り紙の一種です。
科学者たちは、このキリガミの原理を3D素材に応用し、変化しうる構造体を生み出しました。
個々の3Dキリガミユニットは互いに積み重ねられ、それぞれのユニットがさまざまな形状を形成できます。
科学者たちは、この変態（メタモルフォーシス）システムが、ロボット装置や教育用玩具などのさまざまな用途に活用できると考えています。
キリガミの原理を取り入れた3次元素材により、複数の異なる構造へと変化しうる構造体を作ることができます。
研究者たちは、建設からロボット工学に至るまでの応用を構想しています。
「私たちが開発したシステムは、変態からインスピレーションを得たものです」と、この研究に関する論文の責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の機械・航空宇宙工学准教授であるJie Yin（ジエ・イン）氏は述べています。「自然界の変態では、動物がその基本的な形状を変えます。私たちは、基本的な構造を変化させる構造体を作るために使える素材のクラスを生み出しました。」
キリガミは、Yin氏の研究の基本的な概念です。キリガミは、紙を切って折る折り紙の一種です。しかし、キリガミが伝統的に二次元の素材を用いるのに対し、Yin氏は同じ原理を3D素材に応用しています。
キリガミ素材
この変態システムは、1つの3Dキリガミユニットから始まります。各ユニットは、それ自体で複数の形状を形成できます。さらに、これらのユニットはモジュール式でもあり、互いに接続してますます複雑な構造を形成できます。個々のユニット自体が複数の形状を形成でき、複数の方法で他のユニットと接続できるため、システム全体として多様な構造を形成できます。
「従来の素材で何を作れるかを考えてみてください」とYin氏は述べています。「次に、それぞれの基本的な構成要素が複数の方法で変化できるとしたら、何を作れるかを想像してみてください。」
Yin氏の研究室は、以前、類似のコンセプトを実証しています。そのシステムでは、3Dキリガミユニットを互いに積み重ねていました。そのシステムでは、ユニットを用いて構造体を組み立てることができましたが、その構造体はその後分解することも可能でした。
変態システムでは、キリガミユニットを実際に接続します。言い換えれば、ユニット同士がいったん接続されると、切り離すことはできません。しかし、それによって形成される大きな構造体は、複数の異なる構造へと変化することができます。
「私たちの最初のキリガミシステムと変態システムには、2つの大きな違いがあります」とYin氏は説明します。
「最初のキリガミシステムでは、構造体に組み立てた後に分解できるユニットを用いていました。これは利点です。しかし、ユニットを組み立てた時点では、構造体は変化できませんでした。ユニットの側面が剛直で90度の角度に固定されていなかったため、組み立てられた構造体は曲がったり動いたりできましたが、その幾何学的形状を根本的に変えることはできませんでした。」
「変態キリガミシステムでは、構造体を分解することはできません」とYin氏は述べています。「また、各立方体ユニットの側面は剛直で90度の角度に固定されているため、組み立てられた構造体はあまり曲がったり撓んだりしません。しかし、完成した構造体はさまざまな構造へと変化することができます。」
構造的健全性
概念実証試験において、研究者たちは、変態システムが、大きな重量に耐えつつ構造的健全性を維持できる多くの異なる構造を作り出せることを実証しました。
Yin氏は建設を変態システムの潜在的な用途の1つと考えているため、この構造的健全性は重要です。
「このアプローチを拡大すれば、迅速に展開可能な構造物を作るために用いられる新世代の建設資材の基盤となる可能性があります」とYin氏は述べています。「パンデミックの間に短期間で拡張しなければならなかった医療ユニットや、災害後に必要となった緊急避難シェルターを考えてみてください。」
Young Scientists Communityとは何ですか？
研究者たちはまた、変態システムによって、外部からの刺激に応答したり、異なる機能を果たしたりするために変形できる、さまざまなロボット装置を作れると考えています。
「このシステムを使って、新しい玩具シリーズを作ることもできると考えています。特に、物理学や工学に関連する基礎的なSTEMの概念を人々が探究する助けとなる玩具です」とYin氏は述べています。「このシステムのこれらおよびその他の潜在的な応用を追求するため、産業界の協力者と協働する準備ができています。」
この論文は、学術誌「Materials Today Physics」に掲載されています。本研究は、米国国立科学財団の支援を受けて行われました。
