ニットベースの変形可能な構造の数値シミュレーションの方法: ニットモーフ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6630 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

形状モーフィング動作は、ソフトロボット工学、アクチュエーターとセンサー、太陽電池、密なパッケージング、フレキシブルエレクトロニクス、生物医学などの多くの分野で応用されています。形状モーフィング構造を実現する最も一般的なアプローチは、形状記憶合金またはヒドロゲルを使用することです。これら 2 つの材料には異なるひずみが生じ、さまざまな形状が生成されます。この研究では、さまざまな素材の糸で構成される 2D ニットをさまざまな 3 次元形状に変形させることができ、それによって従来の編み物と形状変化構造の間に架け橋を形成できるという新しい概念を実証します。この概念はニットモーフと呼ばれます。私たちのコンピューター解析は、熱負荷を受けると、さまざまな素材の編みパターンがサドル、軸対称のカップ、波のあるプレートなどの複雑な形状に変形することを明らかにする概念実証として機能します。 CAD パッケージで開発されたプレーンとリブの 2 次元円形モデルは、有限要素解析ソフトウェア Abaqus にインポートされ、その後ワイヤーに後処理され、さまざまな熱膨張係数と剛性の繊維材料特性が割り当てられます。また、クラゲのような移動運動や風力タービンのブレードに似た複雑な構造に基づくロボットを開発するための、プログラム可能なニットの概念の潜在的な応用例も提案します。この斬新なコンセプトは、変形可能な構造を検討する際に、設計に新しい分野を導入することを目的としています。

構造物の機能はその形状と結びついています。シェイプモーフィングの利点には、変形されていない形状から変形された構造まで両方のフィーチャをキャプチャできることが含まれます。形状モーフィングにより、固定形状の制限が解除され、必要に応じて構造ベースのパフォーマンスをカスタマイズできるようになります1。この動作は、ソフトロボットのマイクロスケールの移動や貨物の捕捉と放出 2、フレキシブルエレクトロニクス 3 などの複雑な動作、さらにはインスリン収量と細胞生存率を高めるための生物医学 4 に利用されています。この研究では、ニット生地が熱負荷の下で複雑な幾何学的形状に変形する可能性があることを計算によって実証します。これは糸材料の異方性特性5によって可能となり、熱膨張係数に基づいた戦略的な空間配置により複雑な変形の設計が可能になります。

形状モーフィングに関するこれまでの研究では、ハイドロゲルまたはポリマーシート 5 から開発された二層構造（図 1a）で構成されたアプローチが採用されており、刺激により大規模な膨張反応が起こり 6、その後、モーフィングを達成するために内部コンプライアンスの導入を利用する研究が行われてきました 7、8、9。 10、11。

ニット生地の用語。 (a) 刺激を受けたときの二重層モーフィング、(b) 私たちの研究のインスピレーション。許可を得て転載しています。 Copyright Staci、(c) 編地のウェール方向とコース方向を示す模式図、(d) Abaqus に使用される糸の中心軸、(e) 平編みは片面の編み目 (または裏編み) のみで構成されます、(f)リブ編みは、ニット編みと裏編みの交互の列で構成されます。

内部コンプライアンスの変化は、木材ポリマー複合二層と、方向性熱可塑性ポリウレタン層から印刷されたフラップとの間の材料の移行によって達成されます12。他の研究では、固定ジョイントや回転ペアなどの機械的アーキテクチャを利用して、加熱時にジョイントの周囲を曲げることによって複雑なアセンブリを実現しています13。私たちの研究は、糸構造の変化を通じてコンプライアンスを空間的に変化させるという最終目標を達成しました。すなわち、糸の直径と形状の変化は、以前の研究で示されたディスク形状の内部変化に類似しています。さらに、この研究でシミュレートされた編みパターンは、簡単に変形する柔らかく薄いシート状の材料に限定された単純な円板や平面形状よりも比較的複雑なタービンブレードなどの幾何学的形状を実現します5,14。

シェイプモーフィングには、ガウスのエグリジウム定理 15 によって定義される表面の曲率の変更が含まれます。定理によれば、表面上の任意の点における主曲率は、直交する平面内にある曲率 k1 と k2 によって定義できます。最初は平らな表面のこれらの曲率の積はゼロであり、どの方向にも表面が伸ばさなくても変化しないままです。紙を曲げたり丸めたりするような単純な動作では、曲率は一方向にのみ変化しますが、固有の曲率は変化しません。一般的な日常の用途は、格子のこぼれを防ぐためにピザを折りたたむことであり、ゼロ 16 の k1 と k2 の積を表します (補足図 1 を参照)。ゼロ以外の製品は、伸縮を伴うビニールシートによる複雑な表面のラッピングなどのアクティビティによって表すことができます 17 (補足図 2 を参照)。

自然界にも見られる 3D 機械構造の変化と組み合わされた差ひずみが、この研究の原理を形成します。植物では、形態形成は主に組織の異なる成長によって引き起こされ、らせん形や鞍形などのさまざまな構成をとる複雑な 3D 形状の形成につながります 18、腸の組織とそれに付着した腸間膜の間の相対的な成長はループ形成を引き起こし 19、蔓のコイル巻きは、繊維リボンの非対称収縮。植物細胞の水和濃度に影響を与える木質化の差異により、腹側が背側に対して縦方向に収縮し、繊維リボンに固有の曲率が与えられ、単純な機械的収縮の結果として脳内の回転が生じます。白質によって拘束された灰白質の接線方向の膨張によって引き起こされる不安定性21。

モーフィング構造への最近の焦点は、さまざまな戦略を通じて表現されています。 3D プリントによるせん断誘起ミクロフィブリルの異方性膨張、高速空気圧作動を使用して、加えられた圧力の方向に対応する負と正のガウス曲率の間で変換するバロモーフ 7、熱シールされたダイヤモンドパターンヒンジの形状を操作することで形状変化を実現するエアロモーフ 22空気圧作動により折り畳まれる様々なシート、ミリ流体チャンバーを利用したミリモルフ23、低沸点液体を使用して高周波での高速作動スキームを作動させる、サーモルフ24、3Dプリントされた熱可塑性二重層の残留応力の違いを利用して熱水に浸漬したときにモーフィングを実現する、環境湿度に応答して形状を変化させる湿性形態9,25。これらの各デバイスは、ガウス形状を実現するための作動および導入メトリックにおいて、機能的にユニークな形状に依存しています。これらの人工的な形状は魅力的ですが、これらのデザインの多くを製造するには、精密な印刷や、光または磁気刺激 2 を使用した困難な制御、または間にカーボンナノチューブ電極を挟んで層ごとに製造された薄いエラストマーシートを通過する非常に高い電圧が必要です 8,26。広範な採用が困難になります。ここで、本研究では、編み物の基本構造を利用してモーフィングを実現するモーフィング形式のクラスとして「ニットモーフ」を紹介します。これは、縫い目を通して拘束された膨張した布地シートの異方性の性質に依存していた、形状変形布地に関するこれまでの研究とは対照的である。形状モーフィング挙動は、Boley の研究で二重層を使用することにより、異なる膨張係数の材料を使用することによって過去にも実証されています 28。彼らの研究で使用された二層構造格子は、引張荷重において小さなひずみのカテゴリーに属する印刷材料を使用していますが、全体的には大きな収縮または成長を受けます。この挙動は編地の変形力学に似ており、個々の糸の伸びは最小限に抑えられますが、構造固有のコンプライアンスにより大きなひずみに適応できます29。ニットモーフは、形状モーフィングファミリに比較的単純に追加されたもので、多孔質または不連続な表面であるという利点を加えて複雑な形状を実現します。これにより、大規模な製造プロセスでの採用への道が開かれます。

近年、いくつかの複雑な問題に対して、折り紙や切り紙などの科学と芸術の確立された道の交差点にある学際的なアプローチが取られています30。芸術形式である編み物は、他の人からは古くからある技術とみなされていますが、複雑な工学的課題を解決するために、折り紙や切り紙と同様の型破りな機会を提供する可能性があります31。この研究では、芸術として分類できる「パイニット」(図1b)からインスピレーションを得ています。ニット生地は、他の生地に比べて強度が劣るものの、座屈やせん断変形に強いため、高いドレープ性を持つことが示されています32。ニット生地は数百年にわたって使用されてきたにもかかわらず、他の製造プロセスの仕組みに比べて、ニット生地の背後にある物理学の理解は比較的限られています。これらの限界は、変形中の織物構造内のユニットを追跡するためのより正確なモデル 33 と糸の敷設に関する説明 34 を提示したのは最近の研究だけであるという事実から明らかです。

ニット生地の引張試験では、前に示したウェール方向とコース方向の間にばらつきはあるものの、繊維の曲げに応じて負荷がそれほど増加することなく、大きな変形が生じる J 字型の曲線に沿って伸びていることがわかります (図 1c を参照)。勉強35。一定の限界を超えると、繊維の断面が互いに接触して繊維詰まりが発生し、生地の剛性が増加します35。ニット生地は、構造および材料レベルでのモデリング階層における複数の変数で構成されていますが 36、この研究では、これらの変数のうちのいくつかのみを選択しました。つまり、トポロジー、糸の特性、糸と糸の相互作用が考慮されます。

これまでの研究では、形状記憶合金を使用してニット構造を利用し、花びらを開くなどの形状変化動作を作り出してきました 37。さらに、編み物を 4 つの階層構造として説明し、新しい複雑なアクチュエーターの開発を目的として、形状記憶材料を使用してさまざまな形状を実現しました。この研究では、隣接するユニットをループする異なる材料特性の糸で構成される円形ニットディスクが、さまざまなガウス曲率プロファイルに変形できることを実証します。この動作は、同じ作動条件下での個々の糸とは対照的です (補足ムービー 1、2 に示すように)。

研究の根幹となる、異なる熱膨張係数の材料の利用。選択された材料は、熱膨張係数と熱収縮係数が比較的高く、モーフィングを容易にするために剛性が低くなりました。基本的なアーキテクチャの研究は + 20% と - 20% のひずみ値で行われたため、他の研究で実証されているように、より一般的な材料を使用するために他の幾何学的パラメータを最適化する機会が存在します 39。

ねじってコイル状にしたナイロンポリマー (TCP) 繊維は、実験作業の潜在的な候補となる可能性があります。それらの比仕事値は 2.06 kJ/kg 程度であることが示されており、本質的に軽いことが知られていますが、適用が強力であり、このプロジェクトで使用された 20% のひずみをはるかに超えて伸縮することができ、40 の剛性に匹敵する比較的低い剛性を持っています。この研究で使用された値41。これらの所望のひずみ値は、この研究で使用した編み寸法に構成するのは困難ですが、はるかに低い温度負荷で達成できます。強度の観点から見ると、これらの撚り繊維は比較的柔らかく、剛性が低いにもかかわらず、作動すると 50 kg を超える、または自重の数倍の重量を支えることができることが示されています。これは、一般に「柔らかくて実用的ではない」材料と考えられている材料にも例外があることを示しています。

材料の正確な挙動はまだ解明されていないため、この理解に基づいて材料モデルを開発する必要があります。このモデルで考慮される構成法則は線形熱膨張モデルです。

ここで、L は長さの測定値、\(dL/dT\) は温度の単位変化あたりの直線寸法の変化率です。

この論文で紹介されるすべての作業は本質的に計算によるものであるため、補足図3に示すように、過去に行われた研究を使用してFEM上のニット構造の引張挙動を検証します33。

モデルの 3D モデルの作成方法については、以下で説明します。

Solidworks は、グラフィックインターフェイスで 3D 糸構造を操作できるため、これらの構造の作成に使用されました。この機能は、Abaqus では利用できません。 CAD パッケージで作成されたすべてのモデルは、糸間の干渉がないことが検証されています。 Abaqus では糸が円形の梁セクションとしてモデル化されているため、インポートされたファイルを後処理して糸の中心軸を表すワイヤー要素にする必要がありました (図 1d を参照)。これは、CAD プログラム: Solidworks で糸 (補足図 4) プロファイルの 4 分の 1 だけをモデリングすることで実現されました。 Solidworks で作成されたすべてのモデルは、補足図 5 に示す手順を使用して Abaqus で処理され、ワイヤモデルが導出されました。

図1e、fにそれぞれ示されている平編みとリブ編みのパターンを比較すると、平編みはニット編み（または裏編み）で構成されているのに対し、リブ編みはニット編みと裏編みがウェール方向に交互に配置されていることがわかります。上記の構成で使用される糸のモデルを開発するために、ループポイントに自然なスプラインを通すことによって糸プロファイルの 4 分の 1 セクションがモデル化されました。これらの点は、プレーンニットパターンに使用される補足表 1 に示されている幾何学的寸法を使用して、補足図 6 に示されている方法論に従って生成されました。無地パターンとニットパターンの両方で、36 セクションの円形パターンにより、無地パターンの単一の糸のプロファイルが完成しました。リブ編みのパターンは、元の糸をミラーリングしたループスプラインを継続しました。このニットと裏編みのパターンを18回繰り返してリブ糸に発展させました。外糸の固定点として境界条件を指定し、293K から 696K までの熱負荷を加えることにより、平編みとリブ編みからそれぞれサドルと軸対称カップの変形形状が得られました。このホワイトペーパーで検討した残りの幾何学的図形については、対応する点を通る自然スプラインを通過させる同じ方法論が初期ジオメトリの生成に使用され、同じ熱負荷がモーフィングに適用されました。風力タービンのブレードモデルは、35 インスタンスの 2.5 mm 間隔のヤーンレベル間の連続セグメントのない直線パターンを使用して開発されました。続いて、第 2 レベルの軸を中心に 9 度でパターン化されたインスタンスを作成しました。レベルはエルボセグメントによって結合され、18 度間隔で配置された 20 個のインスタンスに対してパターン化され、完全なモデルが開発されました。市松模様は、全長 100 mm で 2.5 mm 間隔の最小単位のループポイントに沿って定義された経路を通るクォーターヤーンプロファイルの直線パターンを作成して単一の糸を構築することによって開発されました。その後、1.4 mm 間隔で横方向に 20 個のインスタンスをパターン化し、完全なモデルを作成しました。逆コーンおよびプラグモデルは、プレーンニットモデルと同じ糸の幾何学的レイアウトを持っています。概念的な作業のための幾何学モデルは論文には記載されていませんが、著者からの要求に応じて提供できます。

Abaqus での後処理

を介して Abaqus にインポートする場合。 STEP 形式では、糸の中心を表すワイヤーを取得するために後処理が行われます。不要な部分は「形状編集」ツールバーを使用して削除しました。単一の完全な糸のこの 4 分の 1 セクションは、エッジからワイヤーを作成し、続いて中央以外のワイヤーセクションを削除することにより、Abaqus で処理されました (補足図 5)。糸は円形のプロファイルに簡略化されています。次に、ヤーンの中心軸に相当する前のステップで抽出されたワイヤに、材料特性とワイヤに沿ったビーム方向を割り当てたビーム断面が割り当てられ、最初のヤーンが完成します。モデル内のその後のファイバーの生成は比較的簡単でした。前のヤーンをマスターとして使用し、後続のファイバーは、図に対応するスケール係数を使用して「パーツコピー」を使用して複製として作成されました。これらの新しい糸には、対応する図に示すように、スケールされた半径が割り当てられ、材料特性が再割り当てされました。このプロセスを繰り返して、異なる素材特性を持つ複数の糸を実現しました。図示されたすべての例では、293 ～ 696 K の熱負荷がモデル全体に適用されました。

波のあるプレートのモデルは、モデル内の体積分率が高くなる、より高密度のニットトポロジーで開発されました。チェッカーボードセクションでは、ウェール方向とコース方向に 10 ニットの間隔で、交互の正と負の係数の素材が割り当てられました。代替戦略として、いくつかの例で使用される膨張係数の多様なセットは、固定熱係数の繊維製材料を異なる度合いの刺激（または負荷）で作動させることによって達成することができる。

ビーム要素の制限については、Abaqus のドキュメントで説明されています。ビーム要素は、ビームの軸に垂直な寸法と比較して断面が小さいことを考慮すると、1 次元の近似に近いため、ヤーンのモデル化に適しています。さらに、断面は中実であるとみなされるため、パイプや I 形断面梁に見られるような柔らかい曲げ挙動を示す傾向がありません 42。一次ビーム要素の洗練されたメッシュは、糸の初期曲率を適切に捕捉します。

構造に含まれる膨大な数の接触と、ニット全体の変形に寄与する糸の滑りの重要性を考慮して、複雑な接触を比較的容易に処理できる陽的解法が Abaqus で使用されました。 Abaqus のもう 1 つの制限は (Ansys と同様)、ビーム要素のメッシュ収束スタディを実行する機会がないことです。要素サイズが小さいと結果は収束しますが、相互作用が多数ある場合はビーム間の貫通が容易になります。この研究で採用されたアプローチは、他の研究によれば正確な結果が得られるビームの曲率を捕捉するマルチノード要素を備えた洗練されたメッシュで構成されています42。

最小安定時間増分が小さかったため、シミュレーションを高速化するためにマススケーリングが追加されました。加速された解析が慣性などの動的力の影響を受けないことを保証するために、運動エネルギーとひずみエネルギーの比較がわずかな割合内であることが検証されました。補足の図 7 は、この論文では、解析に対する質量スケーリングの影響が無視できることが示されているモデルをいくつか示しています。詳細については、Abaqus のドキュメントを参照してください42。

研究には、1.5秒の時間で動的陽的解析手順が採用されました。モデル全体のマススケーリングを 5 に設定します。計算時間を短縮するために、1E-6 の目標時間増分が選択されました。ワイヤ間の相互作用は、接線方向の挙動 0.12 と「ハードコンタクト」としての通常の挙動の特性を含む一般的な相互作用としてモデル化されました。 TexGen43 の糸間のデフォルトの相互作用から採用されました。最外層の糸から最外層の任意の節点を固定し、自由度の高い構造の変形を可能にしました。 293 ～ 696 K の熱負荷が、異なる材料係数の糸で構成されるモデル全体に適用されました。熱負荷が選択されるのは、熱膨張係数がほとんどの複合繊維で利用可能であり、放射加熱、ジュール加熱、対流加熱などの複数の方法で達成できるため、単純な刺激形式であるためです。さらに、プロトタイピングや工業規模での一般的な用途にも簡単に実装できます。熱負荷はすべての解析で一貫していましたが、厳密に設定されているわけではありません。ここで重要なのは、他の形式の荷重または刺激を通じて取得できるひずみ値です。ニットのプレテンションは手作業の場合は変化しますが、機械を使用するとより安定しますが、この研究では糸のプレテンションは考慮されていませんでした。プリテンションの追加は、Abaqus モデリングの S11 値を通じて実行できます。

編み物で一般的に使用されるステッチはニットステッチと裏編みであり、これらは本質的に標準的なものです。ニットの裏側は裏毛であり、その逆も同様です。これらの編み目をさまざまに組み合わせて使用すると、示されているように、平編みとリブ編みという編み物の基本的なパターンが得られます。プレーンパターンは、行方向（コース）および列方向（ウェール）の隣接するドメインと同じ形式のステッチで構成されますが、リブステッチは、行方向（コース）にニットステッチと裏編みステッチが交互に配置され、列方向には変化がありません（ウェール）。基本アーキテクチャの初期設定は、色分けされた素材セクションを持つプレーンニットパターンの使用 (図 2a) と、色分けされた素材セクションを持つリブニットパターンの使用 (図 2b) で構成され、最も外側の図3a、bのような単位ループに従うことによって定義される糸。 293〜696 Kの熱負荷を加えると、それぞれサドル形状（図3cおよび補足ムービー3）および軸対称形状（図3dおよび補足ムービー4）のモーフィング形状が得られました。

基本的なアーキテクチャとマテリアル。 (a) 平編みパターンは、上の図に示すように、編み目 (図の反対側に見た場合は裏編みのみ) のみが互いに隣接しています。材料特性は色分けを使用して定義され、青は負の熱膨張係数を表し、赤は正の熱膨張係数を表し、インサートには対応する糸の色が表示されます。 (b) リブ編みパターンには、上の図に示すように、裏編み目に隣接する編み目があります。材料特性は色分けを使用して定義され、青は負の熱膨張係数を表し、赤は正の熱膨張係数を表し、インサートには対応する糸の色が表示されます。

基本的なアーキテクチャベースのモーフィング。 (a) 定義された材料特性は、無地とリブニットの色分けを使用します。 (b) 青は負の熱膨張係数を表し、赤は正の熱膨張係数を表します。 (c) 単一ループの幾何学的プロパティが赤で強調表示され、パターン化されます。 (d) 単一ループの幾何学的プロパティが赤で強調表示され、パターン化されます。 (e) プレーンニットは凹面のサドル形状に変形します。 (f) リブニットが軸対称のカップ形状に変形します。

得られる形状の違いについての考えられる説明の 1 つは、ニットと裏毛の交互のパターンにより、リブのパターンが本質的に対称的な性質を持っているということです。チェッカーボードパターン (図 4a) の場合、代替の正と負の材料係数プロパティが割り当てられ (図 4b および補足ムービー 5)、結果としてチェッカーボードパターンのモーフィング構造が得られます (図 4c)。図4dが最小単位の幾何学的特性と図4eで定義された材料特性を示している、より高い体積分率のプレーンパターンを使用すると、波のある変形プレートが得られます（動的については図4f、補足ムービー6を参照）。これらの結果は、波の数が厚さに依存する他の研究で報告された結果と似ています 14 が、この研究では相関関係は調べられていませんでした。図4g（図2aと同一）のようなプレーンパターンの幾何学的構成に材料を使用し、図4hで定義された材料を使用すると、異なる変形形状、つまり逆円錐形が得られる可能性があります（図4i、動的、補足ムービー7を参照）。繰り返しますが、図4j（図2aと同一）のようなプレーンパターンの幾何学的構成上の材料と図4kで定義された材料を使用すると、盛り上がったドームが得られる可能性があります（図4l、動的、補足ムービー8を参照）。

プログラムされたマテリアルによるさまざまな形状の歪み – 幾何学的プロパティとマテリアルプロパティ、および最終的なモーフィング構造。 (a) y 方向のエッジが拘束されたチェッカーボードパターンの初期構造。挿入では、赤で強調表示された単一のループを示します。このループは直線的にパターン化され、単一の糸が完成します。直線的に繰り返す糸は黄色で示されます。前の行のインサートに対応する糸の最小繰り返し単位の幾何学的座標が赤で表示されます。 (b) 市松模様のマテリアルコーディング。 (c) チェッカーボードパターンの最終的なモーフィング構造。 (d) 高体積部分の波パターンを持つプレートの初期構造。挿入では、赤で強調表示された単一のループを示します。このループは直線的にパターン化され、単一の糸が完成します。放射状に繰り返されるスケール付きの糸は黄色で表示されます。前の行のインサートに対応する糸の最小繰り返し単位の幾何学的座標が赤で表示されます。 (e) 波のあるパターンのマテリアルコーディング。 (f) 波を伴うプレートの最終的なモーフィング構造。 (g) 逆円錐の初期構造。挿入では、赤で強調表示された単一のループを示します。このループは直線的にパターン化され、単一の糸が完成します。放射状に繰り返されるスケール付きの糸は黄色で表示されます。前の行のインサートに対応する糸の最小繰り返し単位の幾何学的座標が赤で表示されます。 (h) 逆円錐の材料コーディング。 (i) 逆円錐の初期構造。 (j) プラグの初期構造。挿入では、赤で強調表示された単一のループを示します。このループは直線的にパターン化され、単一の糸が完成します。放射状に繰り返されるスケール付きの糸は黄色で表示されます。前の行のインサートに対応する糸の最小繰り返し単位の幾何学的座標が赤で表示されます。 (k) プラグの材質コーディング。 (l) プラグの最終的なモーフィング構造。 (m) 風力タービンブレードの初期構造。「挿入」では、直線状にパターン化された単一のループが赤で強調表示されています。円周方向に繰り返される糸は黄色で示されます。前の行のインサートに対応する糸の最小繰り返し単位の幾何学的座標が赤で表示されます。 (n) 風力タービンブレードの材料コーディング。 (o) 風力タービンの最終的な変形構造。

この研究で得られた形状は、この製造技術を通じてオイルパンの底部、車のフェンダー、エンジンケーシングなどの複雑な形状を作成できる可能性を示しています。さらに、プロトタイプの開発は、複雑な金型を作成する必要がなくても達成できます。インクリメンタルシートメタルフォーミング44がダイレスフォーミング技術の一般的な製造方法となったのと同様に、モーフィングファブリックは、オーダーメイド品やラピッドプロトタイピングに適した複合材のダイレスフォーミングの基礎となります。短いサイクルタイムで資本設備や工具への初期投資が削減されるため、単位剛性あたりのコスト45が大幅に削減され、鋼材と同等になるでしょう。鋼材は、現在の 4.35 ドル/ポンド-100 ポンドから 0.75 ドル/ポンド-200 GPa まで購入する必要があります。 GPa。さらに、プロセスは完全に自動化できるため、産業用途に適しています。これにより、自動車産業などのさまざまな製造分野で複合材料の広範な採用を妨げる障壁が取り除かれることになります。

大規模構造物

風力タービンのブレードは、構築される複合構造の中で最大のものの 1 つであり、大型の金型を使用した非常に複雑なプロセスを使用して製造されており、これが固定費の 3 分の 1 を占めています46。このような構造のコストを削減する 1 つのアプローチは、私たちの研究で示されているような戦略を使用することです。図 4m で定義された幾何学的特性を使用し、図 4n のさまざまな熱膨張特性と剛性の勾配を組み合わせることにより、図 4o と補足ムービー 9 に示すようなブレードのような形状を実現することができます。ブレードセクションは、ウェール方向では円形パターンであり、コース方向ではプロファイルは直線状パターンであった。円筒形セクションの一端には、ブレードの根元と同様の固定境界条件が割り当てられました。

さらに、モーフィングを利用して、プロファイルを風速に適応させることで全体の効率を向上させることができます。さらに、パターンを組み合わせて新しいフォームを作成することもできます。プログラムされた素材を使用したリブニットとプレーンニットを使用すると、NASA の LDSD の形状を形成できます。

機能を実行するために連続的なモーフィングを受ける DNA 分子で頻繁に観察されるトポロジカルな変化に触発され 47、異なる材料特性を備えた同様のパターンが研究されています。図 5a は、材料から作られた鎖を含むコイル状 DNA からインスピレーションを得た構造と、その結果得られるモーフィング構造を示しています。図 5b です。折り紙が細胞レベルで使用されてきた方法と同様に、ここでは細胞レベルから新しい種類の編み物アーキテクチャにインスピレーションを引き出しました。

概念的な作品とインスピレーション。 (a) DNA コイル形成にヒントを得たトポロジー。色分けされた材料プロパティが定義されています。 (b) クラゲのような水中運動は、図に示した 2 つの構成を交互に繰り返すことで実現できます。構成 1. (c) 編み針で編まれたマルチマテリアル。色分けされた材料プロパティが定義されています。 (d) マルチマテリアルヤーンで構成されたハーフトロイダル。色分けされた材料プロパティが定義されています。 (e) コイル状 DNA の変形構造。 (f) クラゲのような水中運動は、示されている 2 つの構成を交互に行うことで実現できます。構成 2. (g) マルチマテリアルニットの変形構造。 (h) ハーフトロイドのモーフィングされた構造。

他の用途には、開いた形と閉じた形を交互に切り替えてペイロードを現場に運んだり、緊急避難所として展開したりすることでクラゲの遊泳行動を模倣するロボットシステムの開発が含まれます（図5c、d）。

上記のアプリケーションに加えて、いくつかの概念的な作品が紹介されています。

図5e、fは、それぞれ木製の針上のニットの初期構成と木製の編みピン上の最終的な変形構造を示しています。図５ｇは、異なる材料で作られた編地から構成されるトロイドの半断面の表現図であり、図５ｈの最終的なモーフィング構成である。

この研究では、これらの構造の規模で手作業で編むという課題とリソースの制限のため、実験による検証は成功しませんでしたが、この研究の重要性は、初期のイノベーションサイクルの一環として、それがもたらす機会にあります。このテクノロジーは完全には成熟していませんが、モーフィングへの新しいアプローチを提供することで開発を促進できます。

糸の直径と全体的な構造の平編み構造 (a) を 10 および 100 の係数にスケーリングしても、補足図 8 に示すようなモーフィング動作の同じ効果は得られませんでした。この観察は、摩擦の効果に起因すると考えられます。本質的に非線形であることと、曲げ剛性が直径の 3 乗の比率で変化するという事実です。 ± 5E-6 および ± 5E-5 の熱膨張係数値を持つ材料の組み合わせを平編みパターンに使用しても、モーフィング挙動は生じませんでした。モーフィングにつながる形状の組み合わせにおける適切な材料特性の詳細な調査は、将来の研究で行われる可能性があります。実施されたパラメトリック研究 (ループの数としての変数、および平面の深さ d1 および d2) では、変数と平面外の動作との関係について決定的な洞察は得られませんでした。さらに、私たちの調査では、特定の繊維は負の熱膨張係数を示しますが、低膨張係数に加えて非線形性があるため、繊維を組み込むのが困難であることが判明しました48。熱システムの応答は、システムの熱慣性により空気圧作動に比べてはるかに遅く、そのため飛行などの用途への実装が困難になります。カーボン繊維やその他の一般的な複合繊維は、ループが短い、編機のトウの大きさ、毛羽立ちなどにより編むのが難しく、特別な加工が必要となります。ニット構造では、従来の一方向複合材料と比較して機械的特性が低下する、従来の繊維体積含有量に達することは不可能です。好奇心に基づいた研究から追求される他のアイデアとしては、結び目理論、フラクタル、編み込み、欠陥などがあります。

編み物と組紐は、トポロジーという共通のテーマを使用した結び目理論によって説明できます。結び目理論には、構造と特性の関係またはトポロジカルな特性を決定するためのアルゴリズム的アプローチを提供できるという利点があります。トポロジー的不変条件は交差の数、ループの長さ、糸の最大曲率と最小曲率として定義されますが、これらに限定されず、ライデマイスターの動きに基づくルールによって重複を排除することで、高度な技術を使用して多数の編みアーキテクチャ構成を自由に探索できます。目標は、望ましいパフォーマンスを得るために最適な材料とアーキテクチャの組み合わせを決定することです49,50。

フラクタルは終わりのないパターンであり、粒度レベルのパターンが最上位レベルと一致します。自己複製パターンを持つ再帰的プログラミングとして分解できる編み物は、フラクタル形式に拡張できます。考えられる動作や観察が数学的にフラクタルとして分類できるかどうかについては曖昧な点がありますが、ここでは編み物をフラクタルとして見ることは、より低いレベルで視覚的に表現されています。フラクタルベースのテキスタイルは、汗を制御するためのナノレベルからマクロレベルで高度なテキスタイルを設計するために使用したり、スマートファブリックベースのウェアラブルに開発したりすることができます。

編組複合繊維は、高い衝撃強度などの特性が評価されており、通常、ディフューザーセクションや円形のマンドレルなどの非対称コンポーネントに見られます。長さに沿って変化する非対称でない断面を使用する場合は、複雑な形状などと呼ばれます51。過去に複雑な形状を製造するための代替方法は、拡張可能な編組スリーブに基づいていました。ここでは、管状編組スリーブとは異なる材料特性を使用し、モーフィングを利用して複雑な形状の非軸対称形状を実現できるという提案がなされる。また、編み糸として異素材の組紐を使用するという提案もある。

穴、縫い目の落ち、太いまたは細い糸、折れた針などの欠陥の影響は、座屈の問題と同様にモーフィング動作を変化させる可能性が高いため、前向きな結果を得るためにこれらの欠陥を事前にプログラムすることが可能かどうか疑問に思う人もいるかもしれません。以前の研究では、相変態メタマテリアルにトポロジカル欠陥が導入されることが実証されており、興味深い結果が得られています52。

ニット構造の幾何学的トポロジーによって拘束されたときの糸からの軸方向の歪みは、糸の曲げによって表現される興味深いモーフィング構造をもたらします。さらに、他の製造プロセスでの作業を通じて実証されているように、プロセスを深く理解するには、荷重後の形状を正確に予測できる逆モデルを考案することが必要です53。ラグランジュ力学に関する研究を拡張して、さまざまなアーキテクチャの組み合わせにおけるトポロジーの変化に対処することによってニットモーフの仕組みを説明することも、興味深い研究の取り組みとなるでしょう。

異なる材料特性の糸を特定の順序で配置すると、サドルや逆カップなどの意味のある形状が得られます。ランダムな配置で配置された糸は同じ特性を示しません。結果が材料と構造の組み合わせであるということは、合理的な仮定です。さらに、モーフィング動作の程度を制御するためにどの要因が重要であるかをよりよく理解するために、設計空間を調査し、分析的定式化を決定する必要があります。

この研究中に考案された極端な熱膨張値を使用する実験戦略は、実用的な材料の選択肢を制限しますが、3D プリンティングなどの非従来型の製造技術を模索することが鍵を握る可能性があります。研究探求のための編み物には、建築上の可能性がたくさんあります。この研究で検討する 2 つの一般的なもの (プレーンとリブ) 以外に、文書化されているものと文書化されていないものの両方があります。研究されたニットパターンは、単純なアーキテクチャを通じて開発されたにもかかわらず、豊かな動作を示しており、機械学習技術を使用した主流の研究に成熟する可能性があります。

この研究で使用されるすべてのデータとモデルは、合理的な要求に応じて著者によって提供されます。

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著者らは、グループ会議中に建設的なフィードバックをくれた Kornel Ehmann 教授、Derick Andres Suarez 教授、Sanjana Subramaniam に感謝します。フラットニットパターンの作品の写真を使用することを許可してくれた Staci に感謝します。 JC は、Vannevar Bush 教員フェローシップ N00014-19-1-2642 による支援に感謝します。 MRB は、国立科学財団による大学院フェローシップ (助成金番号 DGE-1842165) の支援に感謝します。

ノースウェスタン大学機械工学部、エバンストン、イリノイ州、60208、米国

サングラム・K・ルート、マリサ・ラヴェナ・ビスラム、ジャン・カオ

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JC は研究のアイデアを考案し、提案を提供し、論文を校正しました。 MRB は結果を検討し、提案を提供し、論文を執筆し、校正しました。 SKR は研究を設計し、数値解析を実施し、論文を執筆し、レビューしました。

Sangram K. Rout への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

補足ビデオ2.

補足ビデオ3.

補足ビデオ4.

補足ビデオ5.

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補足ビデオ7.

補足ビデオ 8.

補足ビデオ9.

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転載と許可

Rout, SK、Bisram, MR & Cao, J. ニットベースの変形可能な構造の数値シミュレーションの方法: ニットモーフ。 Sci Rep 12、6630 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-09422-3

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受信日: 2021 年 8 月 7 日

受理日: 2022 年 3 月 15 日

公開日: 2022 年 4 月 22 日

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