明治大学理工学部機械工学科

This study focuses on the high rigidity of origami-inspired structures. Core materials such as honeycomb cores are widely used in transportation vehicles, aircraft, and buildings because of their excellent load-bearing capability. In our laboratory, we have developed novel cylindrical honeycomb cores (Fig. 2) based on conventional honeycomb structures (Fig. 1) for potential applications in rotary components such as vehicle tires and bearings. The cylindrical honeycomb cores can be fabricated by folding annular sheets into corrugated shapes and repeatedly stacking and bonding them together. This manufacturing process, known as the corrugation method, is also commonly used for conventional flat honeycomb cores. Adopting an existing manufacturing method is important for facilitating future mass production. To date, we have fabricated honeycomb tires based on our design with dimensions comparable to those of passenger-car tires (Fig. 3) and conducted vehicle tests to evaluate their stiffness and load-carrying capacity (Fig. 4). Supporting a vehicle weighing more than one ton with only four paper-based tires was a significant challenge. However, by optimizing the core geometry, we achieved sufficient stiffness and strength. As a result, the vehicle was able to start, travel straight, and stop successfully. These experiments demonstrated that the proposed honeycomb core design can sustain substantial radial loads even when constructed from relatively soft paper materials. A part of this study is introduced on YouTube "Origami Engineering Expands Our Life and Space Technology," National Geographic (published on 27 December, 2020).

折紙の持つ“高剛性”という特性に焦点をあてた研究です。ハニカムコアをはじめとするコア構造は軽量で高剛性、高強度であることから様々な輸送機や建材に利用されています。当研究室では折紙の数理を用い、市販の平板状ハニカムコア(Fig. 1)を発展させて、タイヤや軸受のような回転機械へと応用できる円筒状のハニカムコア(Fig. 2)を設計しました。環状のシート材の折り目は成形後に円筒になるようにあらかじめ計算されており、これを波状に折って接着、積層を繰り返すと円筒状のハニカムコアが成形できます。これはコルゲート法と呼ばれるハニカムコアの一般的な製造法の1つで、新しいハニカムコアも既存の製造法を踏襲できるように設計することで大量生産を視野に入れています。 この円筒ハニカムコアを乗用車タイヤと同じ寸法で製作し(Fig. 3)、乗用車に取り付けて、剛性や強度を評価するための実車試験を行いました(Fig. 4)。タイヤの素材は汎用的な紙のため1tを超える車重を支えるのは大きなチャレンジでしたが、コアの六角形の寸法を小さく設計して強度を上げ、発車、直進、停車に成功しました。 このように、紙のように柔らかい材料であっても、ハニカムコアのように形を工夫することによって大きな荷重を支えることができることを実証しました。
本研究の一部は、ナショナルジオグラフィック「拓こう、宇宙と暮らしの折紙工学」(2020年12月27日公開)にて紹介されています。

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