[論文レビュー] Design of Pressure Actuated Cellular Structures

Markus Pagitz|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2014

Advanced Materials and Mechanics参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、コンプライアントヒンジとシトサイトスケルトンベースの製造法を用いた、圧力駆動型セルラー構造の新規設計を提示する。これにより、圧力差による大きな形状変化が可能となる。材料最適化の解析的ルールを導出し、圧力耐性と柔軟性のバランスをとったエンドキャップ設計を提案することで、チューナブルでスケーラブルなソフトアクチュエータの実現を可能にする。

ABSTRACT

A novel concept for pressure actuated cellular structures was published in Pagitz et al 2012 Bioinspir. Biomim. 7. The corresponding mathematical foundation for the simulation and optimization of compliant cellular structures with eccentric cell corner hinges was published in Pagitz 2015 arXiv:1403.2197. The aim of this article is threefold: First, analytical expressions for optimal materials of compliant cellular structures with identical properties are derived as a function of cell sizes. It is shown that cellular structures can be made from either a large, small number of highly, lowly pressurized cells that consist of a stiff, soft material. Second, extensions to the previously published numerical model are presented and their application ranges are determined. Third, end cap designs for prismatic cells are developed that can withstand substantial differential pressures while being flexible enough to allow large cross sectional shape changes. Furthermore, a manufacturing approach that is based on cytoskeletons is presented.

研究の動機と目的

• セルサイズと圧力駆動に基づくコンプライアントセルラー構造の最適材料選定の解析的式を導出すること。
• 偏心セルコーナーヒンジを含むセルラー構造のシミュレーションと最適化のための数値モデルを拡張すること。
• 高圧力差に耐えながらも、大きな断面形状変化を可能にするプリズムセル用のエンドキャップを設計すること。
• セルラー構造の製造が可能で、スケーラブルなアプローチを採用したシトサイトスケルトンインspiredテンプレートを用いた製造法を開発すること。

提案手法

• セル幾何学と駆動圧力の関数として最適材料特性（剛性とコンプライアンス）を解析的に導出する。
• 偏心セルコーナーヒンジとその非線形変形挙動を含む数値モデルを拡張する。
• 内部圧力を耐えられると同時に、大きな形状遷移を可能にするように、適合したコンプライアンスを持つエンドキャップ形状を設計する。
• セルラー構造の精密かつスケーラブルな製造を可能にする、シトサイトスケルトンベースの製造法を採用する。
• 材料最適化、構造設計、製造法を統合した、圧力駆動型セルラー系への統一フレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンプライアントセルラー構造の材料特性を、望ましい駆動性能を達成するために、どのように解析的に最適化できるか？
• RQ2 圧力の完全性を維持しながら大きな形状変化を可能にするエンドキャップの機械的限界と設計原則は何か？
• RQ3 数値モデルをどのように拡張すれば、偏心ヒンジを有するセルラー構造の挙動を正確にシミュレートできるか？
• RQ4 スケーラブルに圧力駆動型セルラー構造を製造し、一貫した機械的挙動を実現するための製造法は何か？

主な発見

• 最適なセルラー構造は、少数の大きな高圧力セルを剛性材料で作るか、多数の小さな低圧力セルを柔軟材料で作るかのいずれかで実現可能であり、両者とも同一の駆動性能を達成する。
• 拡張された数値モデルは、偏心セルコーナーヒンジの非線形挙動を正確に捉えており、信頼性の高いシミュレーションと最適化を可能にしている。
• 高圧力差に耐えながらも、十分な柔軟性を維持するように、エンドキャップ設計が成功裏に開発された。
• シトサイトスケルトンベースの製造法により、一貫した機械的特性を有する複雑なセルラー構造の精密かつスケーラブルな製造が可能になった。