福岡の九州大学が昆虫の羽を3Dプリント

福岡の九州大学が昆虫の羽を3Dプリント
寄稿者: Li Wudan、Tian Xiaoyong 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

昆虫は地球上で最も数が多い陸生動物であり、地球上のほぼすべての環境に生息しています。中でも、トンボの柔軟な機動性や、海を渡る渡りの際の蝶の省エネ飛行など、昆虫の優れた飛行能力は特に注目されている。研究者たちはさまざまな種類の超小型羽ばたき翼航空機(MAV)を提案してきましたが、MAVの能力は実際の昆虫と比較すると限られています。大きな問題は、昆虫の羽の複雑な機械的特性と多様な機能を再現することが難しいことです。昆虫の羽は、複雑なパターンを持つフレームワークによって支えられた複雑な膜構造であり、その結果、複雑な剛性分布と異方性が生じます。羽ばたくと、変形して周囲の空気を乱し、有用な空気力学的効果を生み出します。そのため、羽ばたき翼の設計と製造は、固定翼や回転翼よりもはるかに困難です。さらに、ほとんどの昆虫の羽は、飛行機能のほかに、折り畳みや連結に代表されるさまざまな機能を備えており、羽のこれらの追加機能は昆虫の適応性の重要な要素となっています。

図1. 3Dプリントされた昆虫の羽のバイオニック設計と製造。九州大学芸術工学部の斉藤和也教授のチームは、昆虫の羽の一体成形法を研究し、提案しました。3Dプリント技術により、羽のフレームがフィルム上に直接印刷され、昆虫の羽の形をした複合構造が形成されました。フィルムとフレームは同じ材料であるポリプロピレンで作られているため、しっかりと接着できます。トンボの羽に​​存在する重心ボロノイ図に基づいた人工の羽脈生成アルゴリズムを使用して、人工の羽の複雑な機械的特性が設計されました。さらに、実際の昆虫の羽の代表的な2つの機能である「折り畳み」と「連結」を実現しました。カブトムシの後ろ羽をベースに開発された折り目パターン設計ソフトウェアにより、あらゆる形状の折り畳み式羽の3Dプリントを実現できます。連結翼 飛行中、前翼と後翼は連結されて 1 つの大きな翼を形成します。図 g に示すように、これらの翼は分離することも、セミの翼のように積み重ねることもできます。

参考文献:
斉藤 功、永井 秀、須藤 功他「昆虫の羽の3Dプリント」Sci Rep 11, 18631 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-98242-y

バイオニクス、生物学

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