研究者たちは古代の折り紙技術を利用してハイテクなショックアブソーバーを製造している
アラン・ボイル著
折り紙はフットボール選手や再利用可能なロケットを守れるのか？ 研究者たちは、ヘルメットにひびが入ったときや着陸台に着陸したときなど、古代の折り紙技術が衝撃を和らげる仕組みを実証した。
本日、サイエンス・アドバンス誌に公開されたオープンアクセス論文で説明されているこの技術は、紙やその他の素材の折り目の応力緩和効果を利用している。
「この素材で作られたフットボールヘルメットをかぶっていて、何かがヘルメットにぶつかっても、頭に衝撃を感じることはないでしょう。エネルギーが人体に到達する頃には、もはや押しているのではなく、引っ張っているのです」と、ワシントン大学航空宇宙工学准教授で論文の筆頭著者であるジンキュ・ヤン氏はニュースリリースで述べています。
将来のフットボールヘルメットが紙で作られるというわけではない。しかし、ヤン氏らが紙の模型で検証した工学原理は、ロケット着陸脚や自動車、その他の用途における新しいタイプの衝撃吸収構造に応用できる可能性を秘めている。
研究チームは、衝撃力に対して斬新な方法で反応するようにメタマテリアルを構成する方法を調査しまし た。
「メタマテリアルはレゴのようなものです。単一の構成要素、つまりユニットセルを繰り返すことで、あらゆる種類の構造物を作ることができます」とヤン氏は説明する。「ユニットセルの設計次第で、自然界に類を見ない独自の機械的特性を持つ材料を作り出すことができるのです。」
研究者たちは実験のために、紙からレーザーカットして折り紙型のユニットセルに組み立てることができるさまざまなパターンを考案しました。
「折り紙は単位胞を実現するのに最適です」と、 ワシントン大学航空宇宙工学博士課程の学生で 共著者の宮澤康弘氏は述べています。「平らな材料に折り目をつける場所を変えることで、折り畳んだときと広げたときの硬さの度合いが異なる材料を設計できます 。今回、私たちは、押したときに感じる力を和らげ、元の形に戻るときに生じる張力を強調する単位胞を作成しました。」
研究者たちは、20個のユニットセルを次々に積み重ねてチェーンを組み立てました。そして、チェーンの一端を押し、その効果を6台のGoProカメラで追跡しました。
研究者たちが記録した現象は、直感に反するように聞こえるかもしれない。最初、単位格子は圧縮波に沿って進んだ。しかし、波が進むにつれて、押し出す力は紙の折り目によって吸収され、折り目が元に戻る際に、反対方向に押し返す力に変換されたのだ。
圧縮波の本来の力は鎖の反対側まで届かず、代わりに押し戻しに伴う張力によって置き換えられました。そのため、研究者たちは鎖の反対側で「押す」のではなく「引く」と記録したのです。
「衝撃は私たちが日々直面する問題であり、私たちのシステムはその影響を軽減するための全く新しいアプローチを提供します。例えば、交通事故の際に人と車の両方がより良く対処できるようにするために、このシステムを活用したいと考えています」とヤン氏は述べた。「現在は紙で作られていますが、将来的には複合材料で作る予定です。理想的には、それぞれの用途に合わせて材料を最適化したいと考えています。」
Science Advances誌に掲載された論文「折り紙を用いた希薄化孤立波生成による衝撃緩和」の著者には、ヤン氏と宮澤氏に加え、研究当時はワシントン大学の博士課程学生で現在はペンシルベニア大学のポスドク研究員である安田博美氏、マサチューセッツ大学アマースト校のエフスタティオス・チャラランピディス氏とパナヨティス・ケブレキディス氏、そしてボウディン大学のクリストファー・チョン氏が含まれています。本研究は、全米科学財団、海軍研究局、ワシントン研究財団の資金提供を受けました。
