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宇宙開発に貢献した「折紙」は人間の未来も救う!?

石田 祥子 石田 祥子 明治大学 理工学部 准教授

想像力を創造力にする発想こそ、人間ならでは

石田 祥子 自然界の形から、私たちに役立つ機能を見出すという意味では、防振器の開発もそのひとつです。先述したように、円筒が潰れるときに現れるパターンは折紙でも表現できますが、このような折紙は、上から力をかけると畳まれ、力を除くと元の形に戻るので、展開収縮構造と呼ばれます。ばねのような伸縮挙動を示すのです。ところが、折紙の展開収縮構造の中には、一般的なコイルばねとは異なる挙動を示すものがあります。一般的なコイルばねはばね定数が一定とされ、フックの法則にある通り、力と変位、つまりばねの力と縮んだ距離は比例します。この関係をグラフで表示すると、直線で表わされます。ところが、折紙の展開収縮構造の中には、力と変位の関係をグラフ化するとS字カーブになるものがあるのです。S字カーブということは、変位によってばね定数は変化し、負になることもあります。そして、この展開収縮構造とコイルばねを組み合わせると、正と負のばね定数がキャンセルされて、ばね定数が0になる構造、つまり、押しても反力を生じない構造を作ることができるのです。押しても反力を生じないとは、例えば、振動を加えても、力を返さないということで、それは、防振器としての機能になるわけです。そこで、現在は、除振台や自動車のサスペンションなどへの実用化に向けて、金属製の展開収縮構造とコイルばねを組み合わせた試作器を設計し、加振実験を行って防振性能を評価しています。展開収縮構造を、ただ形が変化する構造としてとらえるのではなく、S字のばね特性という力学的な特性に着目して、防振器としての機能を生み出しました。

 球状ハニカムコアの開発においても、このような力学的視点は必要でした。球状ハニカムコアの形状は幾何学的に決まるので、コンピュータで数値計算さえすればよいように思われるかもしれませんが、幾何学的な計算だけでは、形は得られても、必要な荷重を支える強度を得ることはできません。今回、目指した試作ハニカムコアの大きさは直径40㎝で、まず、その大きさに適した素材の選定からはじまり、荷重を支えるのに必要なコア数、素材の厚みなどを検討しました。組立てる際には、最初はわずかなずれであっても、組み立てるうちに徐々に蓄積され大きなずれとなったり、素材間の摩擦、自重による変形など数値計算には現れない事象が発生しました。それは、実際に作ってみなければわからないことで、これらの検討を通して、原因を取り除くためにはどうすればよいか、さらに新しいアイデアが生まれるのです。私たちは、想像力を創造力と思いがちですが、アイデアを空想にとどめず、手を動かして形にすることがとても重要だと思います。特に、いまはコンピュータで設計ができるので、数学的な間違いはなく、これならすぐにできてしまいそうな気がします。しかし、実際は、計算には現れなかったエラーが出ます。そのときにどのように対処するか、過去の学習や経験をもとに問題を解決するアイデアを出し、実行に移せるのが、人間ならではだと思います。

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