ロボットから網膜まで: 折り紙の驚くべき応用例 9 つ

最近「折り紙について」の会議に行くと人々に話したら、困惑した反応が返ってきました。折り紙？折り鶴のようなもの？いや、正確には違います。折り紙の原理は現在、衛星の設計から心臓ステント、自動組み立てロボットなど、さまざまな用途に使用されています。

しかし、紙の芸術とこれらのものとは何の関係があるのか​​と疑問に思う人もいるかもしれません。確かに、折り紙は何世紀にもわたって実践されており、紙で鳥や箱などの形を折るものです。日本の折り紙作家である吉沢章は、20世紀に折り紙を普及させるのに貢献し、世界共通の言語として機能する絵に基づいた一連の指示を開発し、芸術家と科学者の協力を促進したと言われています。

しかし、1960 年代以降、特にここ数年、折り紙と数学、工学、その他の分野との重なりが拡大してきました。イリノイ大学シャンペーン校主催の会議ですぐに学んだことですが、折り紙の基礎となる数学的プロセスは非常に複雑であり、紙をさまざまな形に折ることができるのと同じ分析技術とコンピューター モデルを使用して、さまざまな厄介な設計上の問題を解決できます。

会議を主催したイリノイの研究者で元気なグラウシオ・パウリーノ氏によると、折り紙の技術は、平面（時には基本的に2次元）の素材から3次元の物体を作るのに役立つという。さらに興味深いのは、これらの物体は、極小のナノボットから衛星の太陽電池パネルまで、さまざまな大きさにできるということだ。折り紙の原理を応用すると、大きな物体を小さな形に収めることができ、その後再び広げることができる。

さっそく、今週発表された論文で発表されたものから、過去のもの、あるいは近々発表されるものまで、折り紙にヒントを得た 9 つの素晴らしいアプリケーションをご紹介します。

1. 自己組み立てロボット

トランスフォーマーはご存知かもしれません。特に 10 代の少年やマイケル ベイのファンなら。MIT とハーバード大学の研究者が、本質的にはトランスフォーマーに似たものを設計しました。それは、自分で組み立てられるロボットです。

しかし、さらに良い点がある。このマシンの素材はすべて非常に平らで、折りたたむことで自力で移動したり方向転換したりできる装置を作ることができる。平らなパネルには電子部品が埋め込まれており、ヒンジで接続されている。また、パネルは華氏212度（摂氏100度）に加熱すると収縮して折りたたまれる素材でできている。本日（8月7日）サイエンス誌に掲載されたこの研究論文によると、このマシンの組み立てには4分しかかからないという。

このような機械には、いくつかの用途がある。まず、衛星を宇宙に打ち上げたり、危険な環境でシェルターを建設したりする場合など、「遠隔で自律的に組み立てる」ために使用できると著者らは書いている。薄いプレマシンは小さな穴に収まり、展開できるため、捜索救助ロボットにも使用できる可能性がある。このコンセプトは、製造工程の自動化にも使用できる。

2. 宇宙の鏡と太陽電池

どうやって打ち上げ用に何かをコンパクトな形にし、宇宙空間ですぐに再び大きくするのでしょうか。おそらくもうお分かりでしょう。物理学者で折り紙アーティストのロバート ラング氏によると、折り紙のような折り方の原理は、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (PDF) に搭載されているものなどの折り畳み式ミラーの作成に使用されてきたとのことです。ラング氏は、折り紙の芸術性と科学/工学が重なり合う完璧な例です。カリフォルニア工科大学で学んだ物理学者であるラング氏は、より一般的な科学の道を諦めて折り紙の道を進むことにしました。現在では世界でも有​​名な折り紙アーティストの 1 人であり、世界中のさまざまな分野の科学者と定期的にコラボレーションしています。例えばラング氏は、ローレンス リバモア国立研究所と協力し、計算折り紙を使用して折り畳み式レンズを作成する眼鏡型望遠鏡を設計しました。マンハッタンの長さに匹敵するこの巨大な望遠鏡のプロトタイプが構築されましたが、最終的な作品は完成しませんでした。

同じ基本的な考え方は、折り畳み式の太陽電池パネルや、しまっておいてから広げる必要のあるその他の装置の製造にも応用されています。これを行う方法の 1 つは、ミウラ折りを使用することです。これは、たまたま会議に出席していたこの分野の正真正銘の伝説的人物である日本の天体物理学者三浦公良にちなんで名付けられた折り目パターンです。一枚の紙をミウラ折りのように小さな形に折ると、両端を持って引っ張るだけで紙が広がります。この単純さにより、この折り方は、折り紙にヒントを得た多くの用途に使用できます。このように設計された太陽電池アレイの 1 つは、1995 年に打ち上げられた日本の衛星で使用されました。

同じく本日Science 誌に掲載された別の研究では、コーネル大学の研究者イタイ・コーエン、大学院生ジェシー・シルバーバーグ、および同僚らが、ミウラ折りの変種を使用して特殊なタイプのメタマテリアル（自然界には見られない特性を持つ材料）を開発した。シルバーバーグは、折り目の繰り返しパターンのサイズを変えることで、プログラム可能な方法で材料の硬さを変えられることを発見した。これは、例えば平らな材料から強力な 3D オブジェクトを素早く作成するなど、さまざまな目的に役立つ可能性がある。

3. その他の宇宙機器

宇宙では、太陽電池パネル以外にも折り紙が使われている。英国サリー宇宙センターの研究員マーク・シェンク氏は、膨張式マストを備えた立方体衛星を建造中だ。このマストは素早く伸ばす必要があるが、これは難しい。素早く展開して、その後も硬く保てる素材を見つけるのは難しい。シェンク氏の解決策は、折り紙の原理に頼ることだ。6秒という短い時間で非常に素早く展開するラミネート素材を使うのだ。シェンク氏によると、将来的にはこうした「展開可能な構造物」は、太陽電池パネルやソーラーセイルを衛星につなぐマストなど、さまざまな宇宙機器に使えるようになるという。

イリノイ大学の研究者ジミー・シア氏も、折り畳み式シリコン製の極小球形太陽電池の開発に取り組んでいると語り、この太陽電池には大きな利点があると語った。「太陽がどこからやってきても、効率は同じです。」通常、これらの太陽電池は平らで、太陽に対して垂直になるように注意深く調整する必要がある。そうしないと、効率が悪くなる。

4. エアバッグの設計

エアバッグを作るのはかなり大変です。一瞬で開いて硬くならなければなりませんが、硬くなりすぎてもいけません。岩のように固くはなりたくないのです。このサイズの形状の膨張をモデル化する最良の方法は、折り目を使って平らなシートから 3D 多面体を作成する方法を見つけることです。ロバート ラングは、エアバッグの開閉をシミュレートするソフトウェアの開発をドイツ企業に手伝い、彼のアルゴリズムは、製品の改良のために同社のコンピューター モデルで使用されています。

5. 心臓ステント

日本の伝統では、千羽鶴を折ると願いが叶うと言われている。おそらく命が救われるかもしれない。しかし、折り紙の原理は科学を通じて実際に命を救うかもしれない。オックスフォード大学の研究者、鍾有氏とその同僚は、皆さんも見たことがある膨らんだ折り紙の箱に使われている「ウォーターボムベース」という概念を使って機能する心臓ステントを開発した。このステントはプラスチック素材でできており、カテーテルを通せるくらい小さく収縮できるが、所定の位置に達すると膨らませて動脈を広げることができる。

6. 建築

シカゴのスキッドモア・オーウィングス・アンド・メリル社の建築家ニール・カッツ氏は、折り紙にヒントを得た作品が建築に取り入れられることが増えていると語った。例えば、折り畳み式の組み立てやすい家を作るのに使われている。しかし、より高度なレベルでは、ある形では光を通し、別の形ではより不透明になる調節可能なスクリーンや壁を作るのにますます使われている。この目的のために、折り紙の原理により、建築家は日中の最も暑い時間帯には日光を遮り、したがって熱を遮断し、涼しくなったら開けることができる「日よけと覆い」を作ることもできる。例えば、北京グリーンランド大望景タワーのファサードは「折り紙で作られており、自己日よけになっている」ため、「かなりの量のエネルギーを節約する」デザインとなっている。

7. ナノデバイスと機械ロボット

研究者たちは、DNAの折り畳み特性を利用して、薬物送達やナノボットの製造に使われる箱や容器など、さまざまな超小型物体を製造してきた。将来的には、こうしたデバイスが体内を這い回り、問題を診断できるようになるかもしれない（ただし、私は賛成しない）。しかし、今のところ、このデバイスは生きたゴキブリの体内で使用されている。

「折り畳みの基本法則はどんな規模でも当てはまる」とラング氏は言う。

8. 網膜インプラント

カリフォルニア工科大学の研究者セルジオ・ペレグリーノ氏は、加齢性黄斑変性症や網膜色素変性症などの光受容体の喪失を引き起こす病気の患者を助けるため、折り紙にヒントを得た網膜インプラントを開発している。ペレグリーノ氏によると、このデバイスは現行モデルに比べていくつかの利点があるという。低コストで平らに作れること、折り畳み技術により網膜近くに電極を密集させることができること（眼球の近くに設置したカメラから電気信号を送信）、そして「さまざまな網膜サイズに適応できるよう弾力性がある」ことなどだ。

9. 優れた芸術作品

ご想像のとおり、折り紙は今でも折り紙を作るために使われています。以下はロバート・ラングの作品です。

東京大学の研究者で有名な折り紙アーティストの舘知宏氏は、折り紙の技術を使って革新的な3D彫刻を開発している。以下は彼が金属で作った構造物で、鋭い角があるため手袋をはめて持っている。この形を作るのにかかった時間は、専門のプリンターの助けを借りたため、たった1時間だった。「構造が単純なので、とても簡単です」と彼は、見た目は単純でも簡単でもないものについて、いつものように謙虚に語った。

舘さんはまた、紙でウサギを折る様子を撮影したタイムラプス動画も公開した。折るのに10時間かかったという。

ついでに、ミウラ折りのコピーを持っているミウラさんもいます。初期の頃は、この種のものをデザインするのに役立つコンピュータがなかったため、特徴的な折り目のパターンを手描きしなければなりませんでした。

ロバート・ラング氏は、このことを最もうまくまとめています。「宇宙や手術室を見上げれば、折り紙が見えるでしょう」とランド氏は言います。「そして、折り紙がいつか命を救うかもしれません。」