数値計算・3Dプリンタ・レゴなど
多彩な手法でメカニズムを可視化

私たちの身のまわりにあるさまざまなモノ。その形や動きは実にユニークですが、背景には必ず物理や数学の理論があります。
田中研究室は、面白い動きや不思議な造形をしたモノの機構＝メカニズムを解き明かしながら、そのモノを設計し実際に作る「モノづくり」の研究室です。

6000連の振り子の動きをシミュレーション！　
3Dプリンタでパーツを作り、立体造形に

振り子とは、支点から吊るされ、重力の作用によって揺れを繰り返す物体のこと。ブランコや振り子時計などは、振り子になります。誰もが目にし、知っているように、左右に周期的に動きます。ところが、振り子を２つつなげた「二重振り子」は、一度揺らすととても複雑で非周期的な運動をします。この予測できない動きがカオス現象。二重振り子なら実際に現物を作って実験・検証することができますが、振り子を数百・数千もつなげて運動軌跡を検証することはほぼ不可能です。

そこで、田中教授はFORTRAN77というコンピュータ言語を使って、振り子が6000個連なる6000重振り子の運動シミュレーションを実施。その軌道は複雑で美しく、動画で見るとまるで風に舞うリボンのようにも見えます。このように、現実では実作不可能なものを、理論上で可視化することができます。

逆に、3DCADと3Dプリンタを使いこなすことで、綿密にシミュレーションして設計したものを、具体的なモノとして作り出すこともできます。3Dプリンタは大きいものを作ることは苦手なため、作りたいものを細かいパーツに分け、個別に3Dプリンタで出力し、組み立てて完成させます。

たとえば、この球体に近いものは切頂二十面体（Truncated Icosahedron）からできています。切頂二十面体とは、20の正三角形からなる正二十面体の各頂点12個を切り落とし、20の正六角形と12の正五角形にしたもの。さらに正六角形を６分割、正五角形を5分割し、全てを小さな240の三角形のパーツで出力し、組み立てています。

レゴを使ってLEGメカニズムを実作！　
さらには機械式コンピュータ制作にも挑戦

またパーツから設計するのではなく、レゴブロックを使ったモノづくりにも挑戦中。たとえば「ストランドビースト」。オランダの彫刻家テオ・ヤンセンの造形で、風力によって生物のように歩く作品群です。その動きは「テオ・ヤンセン機構」と呼ばれ、組み合わせるとロボットを歩行させることもできます。

田中教授は、このストランドビーストをレゴで作り直し、LEGメカニズム（歩行メカニズム）を研究。その成果も活かしつつ、モーターや制御等を使わず、形と重量バランスだけで、重力によって斜面を歩く受動歩行（Passive Walker）のロボットを制作しています。

レゴを使ったさらなる挑戦は、機械式のコンピュータ制作です。そのモデルとなっているのが、ドイツ科学技術博物館に収蔵されている金属製の機械式コンピュータ「Zuse Z1」。ドイツの発明家、コンラート・ツーゼが制作したもので、世界初の「自由にプログラムできるコンピュータ」と言われています。

基本的に、コンピュータは二進数を用いて演算を行います。０か１かの信号を、半導体を流れる電流の有無で表し、その最小単位の回路を「論理ゲート」と呼びます。田中教授は、この論理ゲートをレゴで作り、いくつも連結させることで複雑な計算ができるコンピュータをめざしています。

現在、当時の資料を取り寄せて制作中ですが、まだ未解明の部分も多いそうです。完成すれば、世界初のレゴ製機械式コンピュータの誕生。どんな大きさ・形なのかも楽しみです。