アクティブ構造

アクティブ構造(スマート構造または適応構造とも呼ばれる) は、環境の変化に応じて構成、形状、または特性を変更する機能を備えた 機械構造です。

アクティブ構造という用語は、従来の工学構造 (橋梁、建物など) とは異なり、一定の動きと、したがって安定性を保つための電力入力を必要とする構造物も指します。アクティブ構造の利点は、従来の静的構造物よりもはるかに大規模にできることです。例としては、宇宙にまで達する建物であるスペースファウンテンが挙げられます。

活動の結果、構造は、支えている負荷の種類と大きさにより適したものになります。たとえば、梁の向きを変えると、最大応力または最大ひずみレベルが下がり、形状を変えると、構造が動的振動の影響を受けにくくなります。適応構造の良い例は、骨格がさまざまな負荷を支えるために筋肉が構成を変える人体です。バックパックを背負うことを考えてみましょう。上半身が少し前に傾いてシステム全体の重心を調整しないと、人は背中から倒れてしまいます。

アクティブ構造は、荷重を支える部分のほかに、3 つの不可欠なコンポーネントで構成されています。センサー、プロセッサ、アクチュエータです。人体の場合、感覚神経は環境の情報を収集するセンサーです。脳はプロセッサとして機能し、情報を評価してそれに応じて行動することを決定し、アクチュエータとして機能する筋肉に指示を出します。重工業では、風や地震の荷重による振動を最小限に抑えるために、橋やドームにアクティベーションを組み込むという新たな傾向がすでに現れています。

航空工学と航空宇宙工学は、現代のアクティブ構造の開発の主な原動力となっている。航空機（および宇宙船）は、その寿命の間にさまざまな環境、したがって荷重にさらされるため、適応が必要である。発射前は重力または固定荷重を受け、離陸中は極端な動的荷重と慣性荷重を受け、飛行中は抗力を最小限に抑えながら揚力を高める構成にする必要がある。境界層の分離と乱流を制御できる適応型航空機翼を製造するために、多くの努力が払われてきた。多くの宇宙構造物は、宇宙での極端な環境課題に耐えるため、または正確な精度を達成するために適応性を利用している。たとえば、宇宙アンテナとミラーは、正確な方向に作動させることができる。宇宙技術の進歩に伴い、一部の敏感な機器（すなわち、干渉光学および赤外線天文機器）は、数ナノメートルという微妙な位置精度が求められる一方で、それを支えるアクティブ構造は数十メートルの大きさになっている。

市場に存在する人工アクチュエータは、最も洗練されたものでも、ほぼすべて 1 次元です。つまり、1 つの軸に沿って伸縮したり、1 つの軸を中心に回転したりすることしかできません。前進方向と後進方向の両方に動くことができるアクチュエータは、一方向にしか動かない一方向アクチュエータとは対照的に、双方向アクチュエータと呼ばれます。アクチュエータの能力が限られているため、アクティブ構造は、リニア アクチュエータに基づくアクティブ トラス構造と、回転アクチュエータに基づく マニピュレータ アームの2 つの主なタイプに制限されています。

優れたアクティブ構造には、いくつかの要件があります。まず、簡単に作動できることが必要です。作動は省エネでなければなりません。したがって、非常に硬く、変形に強く抵抗する構造は望ましくありません。次に、結果として得られる構造は、設計荷重を支える構造的完全性を備えている必要があります。したがって、作動のプロセスによって構造の強度が損なわれてはなりません。より正確には、次のように言えます。一部のメンバーを作動させると、応力状態を大幅に変更することなく形状が変化するアクティブ構造を求めています。言い換えると、静的決定性と運動学的決定性の両方を備えた構造が作動に最適です。

アクティブ制御技術は、土木工学、機械工学、航空宇宙工学に応用されています。ほとんどの土木構造物は静的ですが、地震荷重、風荷重、環境振動に対抗するために、一部の土木構造物ではアクティブ制御が活用されています。^[1]また、アクティブ制御は、人間の介入が制限されている場合の損傷許容目的に使用することが提案されています。^[2] Korkmazらは、橋梁の損傷許容と展開のためのアクティブ制御システムの構成を実証しました。^[3]

• ジェームズ・E・ハバード・ジュニア
• チューンドマスダンパー

• スイス連邦工科大学（EPFL）、応用コンピューティングおよび機械工学研究所（IMAC）
• ケンブリッジ大学展開構造物研究室
• Hoberman Associates - 変革可能なデザイン
• CRGテクノロジー: モーフィングプロセス
• 自立型宇宙エレベーター構造：宇宙テザーの実用的な代替手段