折紙や生物模倣によるものづくりのイノベーション

芸術工学研究院　研究紹介

芸術工学研究院人間生活デザイン部門
准教授　齋藤一哉

アメリカの伝説的実業家のジェームス・ウェブ・ヤングは「アイデアとは既存の要素の新しい組み合わせ以外の何ものでもない。」と述べています。私は研究やデザインで新しい組み合わせを考えるとき、伝統技術と生物に特に注目しています。長い間使われてきたものには必ず意味があるからです。中でも大好きなのは折紙と昆虫です。

折紙×デザイン

平面から「折り」だけで複雑な立体構造を創ることができる折紙の数理は世界中で研究され、いろんな分野でデザインに応用されてきました。最も有名なのは1995年にJAXAが打ち上げた人工衛星に搭載されたミウラ折り型太陽電池パネルでしょう。私は折紙テセレーションやフォールドコアと呼ばれる周期的な折紙パターンを使って、様々な機能をもつ構造体を製造する研究をしています。Fig. 1は複雑な立体形状をもつハニカムコア（ハチの巣構造）を一枚のシートから立体化させる方法で、折紙工法と呼ばれています。通常のハニカムコアは6角柱が垂直に立っていますが、折紙工法で45度傾いた斜角型ハニカムを創ることで、視線や光の反射・透過をコントロールするパーティーションを設計しています[1,2](Fig. 2)。

Fig.1　ハニカムコアの折紙工法。通常のハニカムは金属箔を接着して製作するが、この方法では目的の形状を基に設計した展開図からスリット導入と折り曲げだけで立体化される。

Fig. 2　斜角型ハニカムコアを使ったパーティション(大橋キャンパス8号館3階ペーパーラボ)。ハニカムコアの6角柱を斜めに切った形状をしており、正面に立つと向こう側は見えないが、斜めからみると中が透過して見える特殊な視覚効果を有する。(撮影：八代写真事務所)

昆虫×デザイン

昆虫は「最も成功した陸生生物」と言われています。彼らは進化の過程でありとあらゆる技術的課題に挑戦し、途方もないトライアンドエラーで答えを見つけてきました。私が研究している翅の折りたたみもその一つです[3-5]。大きな構造をコンパクトに折りたたむ技術は様々なスケール、目的で必要とされています。生物模倣工学（バイオミメティクス）とは、生物の持つ優れた仕組みに学ぶことで技術革新を目指す学問です。私の研究室では、観察、モデル化、模倣の3つのフェーズで生物模倣工学を実践しています。Fig.3~5はハサミムシの翅の折りたたみ[5]を学ぶことで、新しい展開構造をデザインした例です。ここではコンパクトさやスムーズな開閉と広げたときの強度・剛性を両立するという技術的な課題の答えを昆虫に教えてもらっています。

生物模倣工学というと派手な動きや見た目の昆虫が注目されがちですが、身近な昆虫の身体も謎デバイスだらけでイノベーションのヒントが隠れています。研究室のインスタグラム[6](Fig. 6)では大橋キャンパスに見られる昆虫や植物を中心に高画質なマイクロスコープで撮影した画像や動画を載せています。気になった方はぜひフォローをお願いいたします。

Fig.3 観察フェーズでは、デジタルマイクロスコープ、X線マイクロCTスキャナ、ハイスピードカメラ等の機器を駆使して、生物の形と動きを精査する。(左)マイクロCTスキャナで撮影した折りたたみ状態のハサミムシの後翅、複雑なフレームが互いに干渉することなく整列している。（右）４Kデジタルマイクロスコープで観察したハサミムシの翅。

Fig4 モデル化フェーズでは生物の形から機能を持つパターンを抽出して設計法やデザイン法を確立する。大抵の場合、生物の形をそのまま真似して使っても上手くいかない。幾何学や数学を使ってその背後にある原理を明らかにすることで様々な応用が可能となる。図はハサミムシの後翅の折りたたみパターンを幾何学的に解析した例。

Fig. 5　模倣（製造）フェーズでは実際にプロダクトのデザインを行う。3Dプリンタやレーザーカッターなどのデジタルファブリケーション機器を駆使してプロトタイピングを行っている。(上)「おさけむし」（斉藤一哉、柴田隆詠、中元翔一、株式会社鈴三材木店、VUILD株式会社）。ハサミムシ型展開屋根を備えた軽トラック屋台。（下）紙製のハサミムシ扇子。

Fig. 6　4Kデジタルマイクロスコープで観察した身近な生物たち。研究室のインスタグラムでは他にも様々な画像、動画を公開している。

References

1. K. Saito, A. Fujimoto, Y. Okabe (2022) Constructing Three-Dimensional Honeycomb Structures Based on Origami Geometry, ASME Journal of Mechanisms and Robotics, 21-1315

2. 斉藤一哉, 岩元真明, 中元翔一, & 田米開三恵子 (2021) 折紙の幾何学に基づく斜角型ハニカムコアの開発とその視覚効果の検証, 日本応用数理学会論文誌, 31(3), 160-171.

3. K. Saito, S. Yamamoto, M. Maruyama and Y. Okabe, Asymmetric hindwing folding in rove beetles, Proc. Natl. Acad. Sci., 111(46), pp. 16349-16352, 2014.

4. K. Saito, T. Tomohiro, T. Fujikawa, R. Niiyama and Y. Kawahara, Deployable Structures Inspired by Insect Wing Foldingm, in Origami 7 : Proceedings from the seventh meeting of Origami, Science, Mathematics and Education, Vol. 3, 747-762, 2018.

5. K. Saito, R. Perez-De La Fuente, K. Arimoto, Y. Ah Seong, H. Aonuma, R. Niiyama, and Z. You, Earwig fan designing : Biomimetic and evolutionary biology applications. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(30), 17622-17626, 2020.

折紙工学&生物模倣工学研究室インスタグラム　 https://www.instagram.com/origami.biomimetics/

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