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任意の場所とタイミングで自律構造形成するトリガー技術開発
芝浦工業大学 工学部
電気工学科 准教授
動的機能デバイス研究室 主宰
重宗 宏毅
２０２３年９月２１日

2023/12/13

JST 新技術説明会

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新技術の概要紙を自律構造形成する技術により折紙デバイスの利活用を目指す研究開発
力学的に双安定機構を構成するため所望のトリガー刺激に応じて折紙構造と平坦構造を移行
トリガー刺激の例
・外力、熱、反応、湿度 など

表裏可逆変形
平坦形状

表裏の折目の違いによって双安定機構を形成

折紙スマート緩衝材
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折紙形状

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従来技術・競合技術との比較Ⓒ AFDLAB 2023

３次元折紙構造を自律的に構成する手法は、”Self-folding”と呼ばれ様々な材料をベースに提案されている。従来は、電流を流したりオーブンに入れたりなど、折り曲がりを誘発するために外部から特定のエネルギー供給が必要になる。
我々の提案する手法は双安定機構を応用することで、多様なトリガーにて折紙構造を自動形成できる。

Y. Liu et al. Soft matter, 2012.
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S. Felton et al. Science, 2014.
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新技術の特長✓ 折紙構造波型の断面二次モーメント

S. Timoshenko, 弾性体理論, 1956.
H. Shigemune et al., Materials and Design, 2022.

強度向上（波状パネル、ハニカム構造）

三H. Yasuda et al., Science Advances, 2019.

Rafsanjani, Ahmad, et al. Buckling-induced kirigami, Physical review letters

緩衝機能
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伸縮・展開機能JST 新技術説明会

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新技術の特長✓ 紙の自律構造形成

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新技術の特長✓ 紙の自律構造形成

自律構造形成の様子
×64

切断 印刷

4 cm
紙のサイズ：297×210 mm• 印刷した線に沿って曲がる• 切断した紙にも適応可能
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印刷直後に人の手を借りず自律的に構造形成

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新技術の特長✓ 作製構造例

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線の太さで角度を制御

曲面形状

多数の折り目両面印刷
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新技術の特長✓ 線幅による折り曲がり角度の制御➢ 制御パラメータ
✓✓
✓
✓
✓

➢ 結果

印刷線幅
紙の厚さ
湿度
紙目印刷量

➢ 角度の測定法

解析手法
画像解析ソフトを用いて上図の角度を３回測定し平均2023/12/13

JST 新技術説明会⇒ 様々な厚さの紙を変形可能⇒ 角度と線幅に線形の関係
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新技術の特長✓ トリガー構造メカニズム
紙の自律構造形成の課題

印刷直後から紙の折れ曲がりが始まる

折り畳みを阻害する構造を裏面から作製

アーチ状の構造により折り畳み方向への断面二次モーメントを増加

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新技術の特長✓ トリガー解除メカニズム
切断

外力によりアーチ構造を崩す（切断・外力など）

平坦状態

ｖ

アーチによる断面二次モーメントが低下

外力

折紙状態折り曲げが発生

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新技術の特長✓ 不可逆的トリガー

印刷パターン

切断𝑑𝑥 ： 表面印刷線幅

𝑑𝑦 ： 裏面印刷線幅𝑑𝑤 ： 裏面印刷線間幅

折り曲げを阻害するアーチを切断することによって折り曲げを発生

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表印刷
紙を折り曲げるための印刷線
裏印刷
折り曲げを阻害するアーチのための印刷線
線幅によって折り曲げ角度、アーチの阻害力が変化
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新技術の特長✓ 不可逆的トリガートリガー解除の動画（川岸くんの動画）

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新技術の特長✓ 可逆的トリガー
印刷パターン

𝑑𝑥 ： 表面印刷線幅
𝑑𝑦 ： 裏面印刷線幅𝑑𝑤 ： 裏面印刷線間幅

折り曲げを阻害するアーチを外力によって平坦化することによって折り曲げを発生
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表印刷
紙を折り曲げるための印刷線
裏印刷
折り曲げを阻害するアーチのための印刷線
線幅によって折り曲げ角度、アーチの阻害力が変化

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新技術の特長✓ 双安定機構✓ 提案手法
表裏可逆変形Novelino, Larissa S, et al, PNAS, 2020

平坦形状

折紙形状

表裏の折目の違いによって双安定機構を形成
折目のみで設計された双安定機構

可逆的な変形が可能
輸送時：平坦形状
使用時：折紙形状使用性向上、輸送コスト低減

二つの状態のいずれかを取り続けることができる
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新技術の特長✓ 可逆的トリガー

トリガー解除の動画（川岸くんの動画、あれば）2023/12/13

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新技術の特長✓ トリガーの力学的特性➢ トリガー負荷 𝑭𝒕
𝑭𝒕 印加

形状が遷移する最大負荷

トリガー負荷 𝑭𝒕
形状遷移

➢ 平面性

➢ 折角度 𝜷 の定義
水平面からの高さ 𝒉（平面性）
折角度 𝛃𝒉
真横から見た画像

𝒉 の測定により平面性を定量化ℎ大：平面性低 ℎ小：平面性高2023/12/13

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新技術の特長✓ 折角度制御• 表面印刷線幅によって折角度の制御が可能• 表面印刷線幅と折角度の間に線形関係⇒ 直感的な設計
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新技術の特長✓ トリガー力✓ 平坦性

トリガー負荷小変形しやすい微小な外部エネルギーによる非接触動作がしやすい（熱や風）

曲線幅 2 mm

曲線幅 5 mm

曲線幅 10 mm

水平面からの高さ 𝒉（平面性）

トリガー負荷大変形しにくい𝒉

外的負荷が大きい環境でも形状を維持しやすい
真横から見た画像

用途に合わせて 𝑭𝒕 を調整可能
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𝑾𝒕 を小さくすることで平坦化
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新技術の特長✓ トリガー種
熱をトリガーとした非接触動作の実現

風をトリガーとした非接触動作の実現

風

表裏

表
表

裏面が熱膨張

風
表

裏

裏

裏

変形
ヒータで加熱2023/12/13

表

変形

裏

平坦形状から折紙形状へ

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新技術の特長✓ トリガー応用例

ハニカム、波状？
平坦化ハニカム構造

平坦化

波状構造
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複合層
その他機能性シートと複合層を構成することで高機能化➢ 機能性シート例✓ フィルム（耐水・耐湿・保護層）

機能性シート折部

自律構造形成紙✓ 多孔質材料（断熱層）

トリガー解除✓ 導電性薄膜（回路層）

機能性シートと共に構造形成••

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３層以上の多層化
両面実装✓ スプレーのり（粘着層）も可能✓ 電子部品（部品層）
その他、用途に依る••JST 新技術説明会

構造の防水化、電子化などに寄与
構造形成性能は大きく変化しないことを確認済
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新技術の特長✓ 導電性薄膜・電子部品との複合層

導電性薄膜を持つ紙を自律構造形成⇒ センサ・デバイス・アクチュエータへの応用
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新技術の特長✓ ばね的力学特性 ⇒ ストレッチャビリティ

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想定される用途• 輸送時の落下衝撃から物品を守り、かつ輸送状態（温湿度・衝撃 など）を収集可能なスマート緩衝材・包装材• ストレッチャブル、低コスト、使い捨て性を活かした

ヘルスモニタリング向け医療・介護デバイス• 表面凹凸の加工を必要とする用途

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企業への期待• 農地、病院、宇宙などの実地ラインへの投入• 製造ラインの開発などビジネス化に向けた大量生産手法の検討
ー 溶液の大量生成法
ー インクジェット以外の印刷法の導入• プリンタヘッドのパラメータ最適化も含めた立体配線基板作製用独自プリンタの開発• 紙の分析、自律構造形成シートの開発• その他用途の提案、相談

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本技術に関する知的財産権Ⓒ AFDLAB 2023

• 発明の名称：紙含有構造体および紙含有構造体の製造方法• 出願番号：特願2022-166403• 出願人： 芝浦工業大学• 発明者： 重宗 宏毅
川岸 大己
岡本 修汰

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お問い合わせ先
芝浦工業大学 研究推進室研究企画課
ＴＥＬ 03-5859-7180
ＦＡＸ 03-5859-7181
e-mail sangaku@ow.shibaura-it.ac.jp2023/12/13

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