Mechanics and Dynamics of Solid yet Soft Materials
ソフトロボティクスに直結したしなやかさを材料に与える
物体が構造を持ちながら，しなやかに変形することが望ましい場面は多々あります．例えば，様々な用途の緩衝材，ウェアラブル用途などのフレキシブルなデバイス基板，そしてソフトロボティクスがあります．素材自体が柔軟なことにより小さな荷重で大変形が生じる工業製品は，シリコーンゴム製のキッチン用品をはじめ日常生活にも行き渡っています．また，紙袋や紙箱は，素材が紙であるだけでなく，変形もオリガミ機構に根差した製品です．さらに，日用品や食品の小売店で使われる，キリガミ機構に基づく紙製の緩衝材もあります．これらは，人工衛星の太陽電池パネルを宇宙空間で展開する際の剛体とヒンジで構成された機構とは対照的に，変形を前提としています．
デバイス基板がしなやかに変形する際や，紙袋が使う時だけ立体構造に展開する際には，素材の物性と共に，幾何学的に確保した柔軟性の特徴があります．つまり，厚さが小さいシート構造なので曲げ易いということです．ハードカバーの本の多くは，本文ページは僅かな荷重で曲がりますが，表紙部分は厚みも確保して剛性が高いです．分厚い板では難しい大きな曲げ変形が，シート構造では可能になります．シート構造の曲げに対する柔軟性は，曲げと伸縮のひずみエネルギーが，厚さに対してそれぞれ3乗と1乗で依存することに注目すると，力学的に理解できます．また，コピー用紙のような伸縮性の低い素材を，滑らかに直接ねじる変形が成立しないことは，Gauss曲率に注目すると理解できます．
しかし，例えばコピー用紙でも，互い違い破線型の周期的な切り込みを入れると，構造全体では伸縮性が得られ，ねじる変形も可能になります．さらに，デバイスやロボットの動きに応じてしなやかに変形する場合，その変形は多数回となります．除荷時には形態が復元することが望ましいですが，そのための力学的メタマテリアルの設計指針として，応力集中の緩和が重要です．応力集中の緩和は，古くから脆性材料の破壊を防ぐ手段の定石として認識されてきましたが，力学的なレジリエンスの確保にも有用であることを，当研究室では環境調和型次世代材料を通じて実証しました．また，当研究室はロボットの一部をセルロース素材に置き換えてゆくプロジェクトにも参画しています．
一般に，スケールを微小（ミクロ）にすると，巨視的（マクロ）な機械を扱う場面とは力学現象の特徴が異なります．従来からMEMSなどでは，体積と表面積がそれぞれ長さの3乗と2乗に比例することに起因する違いが認識されてきました．また，対象を構成する原子・分子・粒子・ファイバーの数の観点からは，微小な時空間スケールにおいて力学量の平均値に対して揺らぎが大きな影響を及ぼします．これは大数の法則に通じる普遍的な話です．当研究室では，時空間スケールと用途の関係を洞察し，流体中に秩序を生み出す技術で，産学連携の成果もあります．しなやかさをはじめとする力学的な機能は，時空間スケールに応じて顕在化する現象の違いを的確に使い分けることによって生み出せます．