材料科学：機械的特性を調整できる構造化布地

織物のシートや鎖かたびらなどの構造化布地の特性は、構成材料とその幾何学的配置の両方に由来する。そうした布地は、高い衝撃耐性、温度調節、電気伝導性などの所望の特性を目標として設計できる。しかし、布地が作られた時点で、その特性は固定されることが多い。今回我々は、層状の鎖かたびら状に配置した三次元粒子からなる、曲げ係数を調整できる構造化布地を実証する。この鎖かたびらは、複雑な形状に追従するが、その境界に圧力がかかると粒子がかみ合って、鎖かたびらが変形しなくなる。我々は、このシートに小さな外圧（約93 kPa）をかけると、剛性が、緩んだ配置の25倍以上になることを示す。この剛軟度の劇的な増大は、緩い粒状媒体に見られるものとは異なり、かみ合った粒子の引張抵抗が高いために生じる。我々は、離散要素法シミュレーションを用いて、鎖かたびらの微細構造をマクロスケールの特性と関連付け、実験の測定結果を解釈した。その結果、さまざまな非凸状の粒状粒子からなる鎖かたびらが、従来の凸状媒体の挙動に似た特徴的なべき乗則関数によって記述されるジャミング相転移を経ることが見いだされた。今回の成果から、ウエアラブルなエクソスケルトン、触覚アーキテクチャー、再構成可能な医療支援器具に応用できる可能性がある、軽量で調整可能な適応布地への道筋が得られる。

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