[論文レビュー] Origami-Inspired Composite Springs with Bi-directional Translational-Rotational Functionalities

Ravindra Masana, Mohammed F. Daqaq|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2023

Advanced Materials and Mechanics被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、Kresling折り畳み構造を模倣した新規な複合スプリング設計を提案し、直列に接続されたKresling Origamiスプリング（KOS）を用いて、プログラム可能で分離された並進運動と回転運動を実現する。プリプレス高さを調整することにより、双方向の機能性を有し、対称的または非対称的な特性を示す、可変な単安定、二安定、三安定、または準零剛性（QZS）挙動を実現する。3Dプリンティングと実験的評価により検証された。

ABSTRACT

Many of the patterns seen in Origami are currently being explored as a platform for building functional engineering systems with versatile characteristics that cater to niche applications in various technological fields. One such pattern is the Kresling pattern, which offers unconventional mechanical properties with rich coupled translation and rotational kinematics. In this paper, we design and manufacture a composite spring inspired by the Kresling Origami pattern, which is capable of simultaneously behaving as an axial and torsional restoring element with bi-directional functionalities. We study, numerically and experimentally, the restoring behavior of this spring, its equilibria, and their bifurcations for different combination of the design parameters. We show that the fabricated springs can have fixed, quasi-zero, or variable stiffness, and can be customized to exhibit single- or multi-stable states (symmetric and asymmetric) as needed. The proposed spring demonstrates how combining additive manufacturing with Origami principles can offer a new pathway towards the design of new structural and machine elements with versatile functionalities.

研究の動機と目的

• 折り畳み原理を用いて、並進・回転運動の双方向的機能を有する新しいクラスのプログラム可能機械的スプリングを開発すること。
• 単一のKresling Origamiスプリング（KOS）に内在する運動の結合性を克服し、独立した軸方向およびねじり応答を必要とする応用分野での利用を制限する要因を解消すること。
• 増 additive 製造により、Kresling Origamiスプリングペア（KOSP）を設計・製造し、分離された自由度とカスタマイズ可能な安定状態を実現すること。
• プリプレス高さがKOSPの静的平衡状態、分岐、および剛性特性に与える影響を調査すること。
• 幾何学的パラメータの調整により、準零剛性（QZS）、固定剛性、多安定状態を実現する可能性を示すこと。

提案手法

• KOSPは、並進運動と回転運動を分離するために、異なる幾何学的パラメータを有する2つのKOSを直列に接続することで設計された。
• 非線形復元挙動をシミュレートし、平衡状態を予測するために、ラーメン構造に基づく数値モデルが開発された。
• 3Dプリンティングを用いて、側数（n）、半径（R）、プリロード高さ（u₀）、回転角（φ₀）などの設計パラメータを精密に制御した物理的プロトタイプが製作された。
• 静的ねじりおよび圧縮試験を実施し、復元トルクおよび力の測定を行い、実験データからポテンシャルエネルギー関数が導出された。
• 補間された実験データを用いて分岐ダイアグラムが構築され、プリプレスレベルの変化に伴う安定および不安定な平衡状態のマップが作成された。
• ポテンシャルエネルギー関数を用いて安定性を分析し、単安定、二安定、三安定構成を評価した。特に、対称性と剛性チューニングに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kresling Origamiスプリングペア（KOSP）は、単一のKOSに内在する結合性を克服し、並進運動と回転運動を分離して実現できるか？
• RQ2 プリプレス高さがKOSPにおける平衡状態の数と安定性にどのように影響するか？
• RQ3 KOSPは、対称的または非対称的特性を有する準零剛性（QZS）、固定剛性、または多安定状態をチューニング可能か？
• RQ4 幾何学的パラメータとKOSPのポテンシャルエネルギー面における分岐挙動との関係は何か？
• RQ5 設計パラメータを用いた場合、実験的および数値的に検証されたKOSPの復元挙動は、どの程度プログラム可能か？

主な発見

• KOSPは並進運動と回転運動を分離しており、単一のKOSが内在的に結合された自由度を有するのとは異なり、独立した軸方向およびねじり応答を実現する。
• プリプレス高さ（uT/R）を調整することにより、KOSPは単安定、二安定、三安定構成に遷移し、ポテンシャルエネルギー関数が明確な平衡状態を示す。
• uT/R = 2.5 において、KOSPは非対称特性を示す準零剛性（QZS）挙動を示し、φT = 25°付近でほぼ平坦なポテンシャルエネルギー領域を示す。
• 分岐ダイアグラムにより、KOSPは常に非対称であることが確認され、極端なプリプレスレベルでは単安定、中間レベルでは二安定となる。
• 実験結果はシミュレーションと良好に一致しており、ポテンシャルエネルギー関数および復元トルク曲線が予測された剛性チューニングと安定性遷移を検証した。
• KOSPは、n=6、R=15 mm、u₀/R=1.65、φ₀=45°などの設計パラメータにより、可変剛性、QZS、固定剛性、多安定状態を実現し、機械的応答を精密に制御可能である。