4. 材料力学
4.1 まえがき
4.2 自己修復材料
4.2.1 学術界の動向／4.2.2 産業界の普及予測
4.3 スマート構造
4.3.1 ハード・モーフィング／4.3.2 ソフト・モーフィング
4.1 まえがき
弾性係数，強度，破壊靭性などの材料固有の力学的特性に基づいて，機械構造の設計がなされている．このため，より耐久性のある構造を得るには，材料固有の特性を向上させることが求められ，材料開発が活発に行われている．単一の材料では困難であった力学的特性を得るために，繊維あるいは粒子などで強化した複合材料が開発されてきている．このような材料固有の性質により設計された構造は受動的であるといえる．
1980年代頃から，知的材料（Intelligent material），知的構造（intelligent structure）と呼ばれる概念が提案された．その後，これらはスマート材料（Smart material），スマート構造（Smart structure）と一般的に呼ばれるようになってきている．これは材料あるいは構造が，人体のように，外乱あるいは材料，構造の変形，破損，破壊などの状態を材料・構造自身が検知し，状態に応じて材料，構造が能動的に応答して，その状態を抑制するように自己制御する機能を有する．さらに，破損，破壊を自己治癒・修復する機能を含むこともある．材料力学の分野においても，受動的に破壊，破損などを単に受け入れるのではなく，能動的に制御する新しい方向性が示された．
スマート材料・構造について，当初から様々なモニタリング技術，アクチュエータ技術，自己修復などの概念が提案され，実現の可能性が議論されている．現在まで，光ファイバーによるネットワーク構造を有する新しいモニタリング技術，圧電材料，形状記憶合金などによるアクチュエータへの適用などを含めて，様々に提案，検討されており，さらに自己修復可能なセラミックス材料，高分子材料などの多数の材料が開発されてきている．近年では，検討，開発された技術を社会に実装する研究が行われるようになってきている．そこで本稿において，スマート材料としての自己修復材料およびスマート構造に関する現在の研究動向について，活発に研究を行っている2名の研究者にご寄稿をいだたいた．
〔足立 忠晴 豊橋技術科学大学〕
4.2 自己修復材料
自己治癒（修復）材料は，次世代のスマート材料として近年大いに注目を集めており，日本のみならず欧米中においても，研究戦略における重要技術の一つとして位置付けられている．本材料は，少数の例外を除き，損傷（微小き裂）をトリガーとして化学反応を誘起し，その際の生成物を活用することで健全な状態への自律的修復を達成する．代表的なものとしては，高分子材料系，セラミックス系，コンクリート系およびコーティング系などが挙げられ，化学反応は材料の種類や用途，使用環境に応じて適切に選択される必要がある．自己治癒材料は，メンテナンスフリー用途，特性維持用途および美観維持用途など，材料に新たな価値を与えることができるため，様々な社会的課題の解決の一助となる可能性がある．以下では，本材料に関する学術界の動向と産業界の普及予測について述べる．
4.2.1 学術界の動向
2010年前後に自己治癒材料に関するレビュー論文（1）（2）や書籍（3）（4）が出版されて以降，その認知度は年々広範化してきている．例えば，Google Scholarで“Self-healing materials”を検索すると，2010年は約5,800件のヒット件数だったものが，2015年は約10,400件，そして2019年は約16,100件へと増加している（2020年4月1日調べ）．また，このような研究報告例の増加に伴い，多くの画期的な成果も出始めている．例えば，セラミックス系においては，これまで完全な強度回復に1000℃で1000時間必要であったが，その時間を6万分の1にすることに成功し，最速1分でき裂を完治させることに成功している（5）．
材料における自己治癒や自己修復という機能は，以前より多くの研究者に注目されてきた機能である．しかし，自己治癒という一つの機能に着目して，様々な分野の研究者が集まってコミュニティーを形成し始めたのは2000年以降のことである．その一つが自己治癒材料に関する国際会議（ICSHM: International Conference on Self-Heling Materials）であり，第7回の会議が2019年6月3〜5日に横浜の大さん橋ホールで開催された．アジアで初めて開催されたICSHMであったが，本会議には26カ国から合計210人の研究者が参加した．122の口頭発表と39のポスター発表が，Coating, Composite, Concrete, Metal and Ceramics, Model and Simulation, Polymerなどの各セッションで行われた．また基調講演では，今後，この分野で重要となる国際標準化の確立についての話題提供もなされた．
材料力学分野に関する大型プロジェクトとしては，2019年に公募された戦略的創造研究推進事業 CREST「革新的力学機能材料の創出に向けたナノスケール動的挙動と力学特性機構の解明」，さきがけ「力学機能のナノエンジニアリング」において，研究推進の際に見据えるべき将来の社会像や具体的な研究例として自己修復機能が取り上げられている（6）．
4.2.2 産業界の普及予測
自己治癒材料に関する産業界の普及予測について， 1400人強の実務者アンケート結果が2018年度に報告されている（7）．注目すべき点として，回答者のうち約80％が自己治癒材料に関心があると答えている．また普及予測においては，30%以上の実務者がモビリティ，電機，熱源，建築，土木インフラ，計測機器，衛生機器，日用品，生体材料のほとんどの分野で，2035年には様々な製品への普及を予測している．例えば，自己治癒材料の適用先として有望と考えられている製品として自動車部材がある．その内訳は，塗装などの外観維持用途として高分子系の自己治癒材料の適用が最も期待されている．またセラミックスについても，回答者25%が有望な耐熱系の新素材として注目している．このような普及予測の理由は，塗装などによる美観の維持に加え，長寿命化・耐久性の向上も大きな理由となっている．他方，インフラ分野では，内部に含まれるバクテリアの代謝を利用してひび割れを修復する自己治癒コンクリートは国内外で既に製品化されている．また，自己治癒アスファルトについては，オランダ・デルフト工科大学と国内企業との間で，社会実装に向けた共同研究が2019年度に開始されている．
自己治癒材料はSDGs（持続可能な開発目標）といった経営目標・経営課題の面からも貢献できる可能性がある．高付加価値を持つ機能性材料によって素材の使われ方が変わりつつあるいま，学術界と産業界の協働により基礎研究と実用化との間に存在する溝を埋め，自己治癒材料イノベーションの達成が期待される．
〔尾崎 伸吾 横浜国立大学〕
4.3 スマート構造
スマート構造は，狭義にはスマートマテリアルと対比として構造やトポロジーの人工的なデザインによって機能を付与する構造要素を指すものと見なせる．しかし，微視構造を有するスマートマテリアルも多く存在するため，材料と構造を明確に切り分けることは難しい．一方，広義にはセンシング・アクチュエーション・計算・通信・発電のための素子やスマートマテリアルが組み込まれたスマートコンポジットを指すものと見なせる．スマートコンポジットは，材料のロボット化（robotic materials）という見方も可能で（8），IoT（Internet of Things），エネルギー・ハーベスティング（環境発電），NDE（非破壊評価），ソフトロボティクス，フレシキブルデバイス，バイオミメティックスなどの多岐にわたるキーワードを介して相互に関連性がある．
本節では，スマート構造の1つとして「形が変わる」という動き（モーフィング）によって未踏の機能や特性を発現するモーフィング構造体（morphing structures）に焦点を当て，近年の研究動向を紹介する．モーフィング構造体とは，広い意味で形状変化（形状変態）を伴う構造体を指し，動きを生み出すメカニズムを備えていることからアクチュエータの一つとして捉えることもできる．モーフィングという用語が比較的最近になって多用されるようになってきているが，膨張率の異なる2種類の金属を貼り合わせたバイメタル（bimetal）や2枚の圧電素子を貼り合わせたバイモルフ（bimorph）は古くからよく知られているモーフィング構造体の例として挙げることができる．これらの2層構造体は温度場や電場の作用によって1次元形状から2次元形状への曲げ変形を誘起するアクチュエーションと捉えられるが，モーフィング構造体は2次元形状から3次元形状へ，もしくは3次元形状から別の3次元形状へと変態する構造体をも包含しており，航空宇宙（9）–（14），自動車（15），ソフトロボティクス（16）–（19），フレキシブルエレクトロニクス（20）などの広い分野においてその重要さが増してきている．しばしば，シェイプシフトマテリアル（shape-shifting materials），再構成可能構造（reconfigurable structures），展開構造（deployable structures）, 力学的メタマテリアル（mechanical metamaterials），プログラマブルマター（programmable matter），ソフトロボティクス（soft robotics）といった新生のクラスでも扱われており，広範囲の分野が交錯している（21）．
4.3.1 ハード・モーフィング
鳥の翼のように，離陸・巡航・着陸の各飛行ステージで異なる翼の形態を単一構造で実現するモーフィング翼の開発が航空宇宙分野で古くから行われてきた（9）-（14）．ねらいは，航空機の主翼形状が変化することで空力特性をチューニングして飛行性能を向上させ，燃料消費を抑えることである．モーフィング翼の初期の設計では，多数の圧電アクチュエータを配列して翼の形状変化を実現した．しかし，実機レベルにスケールアップしようとすると，要求される耐荷能力の増大に伴ってアクチュエータの総重量も増大する問題が生じる．高い強度と高い変形能を同時に実現する必要があるため，例えば可変剛性と曲げ変形を組み合わせたアクチュエータによってこの問題を解消することが期待される（22）（23）．一つのアプローチは，熱可塑性樹脂のシートを二枚の金属平板で挟み込んだサンドイッチ構造にすることである（22）．低温では3層が一体として振る舞って高い曲げ剛性を示し，高温では熱可塑性樹脂のせん断剛性が低下して2枚の金属板がそれぞれ独立したように振る舞い，低い曲げ剛性を示す．熱可塑性樹脂の代わりに形状記憶合金（SMA）や形状記憶ポリマー（SMP）も用いられている．別のアプローチは，予ひずみを加えたSMA/SMPと金属から構成される二層の偏平シェル構造にすることである（23）．温度変化を受けて，二つの平衡状態を素早く行き来するスナッピング（飛び移り座屈）を利用することで，劇的な形状変態を瞬間的に実現できる．このような積層複合材は，厚さ方向にひずみ勾配を生み出すことで小さなエネルギーによる曲げ変形を実現できるため，モーフィング構造に適している．航空宇宙分野だけでなく自動車産業（15）でも開発が進められている．
4.3.2 ソフト・モーフィング
生物のデザインに触発されて，フレキシブル構造要素（フィラメント，シート，シェル）やソフトマテリアル（エラストマ，ゲル）を用いたソフト・モーフィング構造体の研究が近年活況である（24）–（36）．それらのやわらかさを利用して，ハード・モーフィングよりも大きな形状変化を劇的に生み出すことができるモーフィング技術は，面駆動のアクチュエータや洗練された3次元構造を作り出すツールとなり，ソフトロボット（16）–（19），医療応用（31）（32），3D/4Dプリンテッドデバイス（33）（34），3Dエレクトロニクスデバイスの立体構造形成（35）（36）などへの広範な応用が期待されている．これらのソフト・モーフィングでは，平面シートからターゲットとする任意の3D形状へ変態するために，シート内にどのような変形を生じさせるのかという逆問題をプログラムする必要がある．ターゲットとする3D形状となるように事前に決定（プログラム）された変形量をシート面内の各物質点で生み出すために（37）（38），温度応答性ゲルの化学成分に空間勾配を持たせる方法（39）（40），2層シートで横等方性の体積膨張を生じさせる方法（41），液晶エラストマの空間的な分子配向を制御して異方性を持たせる方法（42），およびエラストマシートに空気流路をインプリントする方法（43）などが提案されている．任意の形状への変態ではないが，複数のモードを自在に往来できる形状変態を実現するアプローチとして，弾性不安定性を利用した多重安定構造やメカニカルメタマテリアル（44）-（48），折り紙や切り紙のモチーフ（28）（30）（36）によるモーフィング研究も盛んである．ソフト・モーフィングの研究は，工学領域だけでなく，ソフトマター物理学，応用数学，コンピュータサイエンスなどの多方面からの研究者によって取り組まれている．近年の計算機能力の民主化とデジタルファブリケーション技術の深化は，前例のない複雑な機能や価値をもたらす新しい次元のスマート構造の設計と製造を可能にするだろう．
〔森本 卓也 島根大学〕
参考文献
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