マルチの立体構造変形

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19984 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

細い弾性体とジョイントで構成される平面ループ構造に対して、新しいクラスの変形が提示されます。 多関節の弾性ループの円周方向の短縮を実証する際に、区分的な偏向と個別の回転を通じて多様な 3 次元 (3D) 変形が現れます。 これらの 3D 形態は、分子環系の立体構造に対応します。 画像処理を通じて、変形した構造の 3D 再構成は、身体セグメントの数、形状、初期欠陥によって特徴付けられます。 自己応力のない構造変形は、高いせん断剛性を持つ弾性体の圧縮曲げの周期的な集合から生じることを測定から解明しました。 得られた機械的洞察は、スケール全体での周期構造によって示される多型性の制御に適用できる可能性があります。

横断面寸法が縦断面寸法よりもはるかに小さい細長い構造は、多くの分野で広く普及しています。 それらは、海洋下のケーブルから人間サイズの棒やロープ、植物や動物の微細構造織物、カーボンナノチューブや二本鎖デオキシリボ核酸（DNA）などの分子柱や鎖に至るまで、さまざまな長さのスケールであらゆる場所で見られます。 その独特の大きな変形能力は理論力学や応用力学の分野を含む科学界から注目されており、現在でも圧縮座屈などの三次元(3D)形状への複雑な変形に伴う問題に取り組んでいます。 2D から 3D アーキテクチャへの変換 1、2、3、基板上に配置された弾性フィラメントのコイル化 4、5、結び目の仕組み 6、7、および 3D 成長ロッド 8、9、10、11、12。

細長い弾性体の変形は、中心線を規定する単一の弧長パラメータで表される弾性棒モデルによって簡潔に記述されます13,14。 弾性ロッドに応じて、伸長/圧縮、せん断、曲げ、ねじりの 4 種類の変形があり、これらはロッド内部に生じる軸力とせん断力、曲げモーメントとねじりモーメントと組み合わされています。 伸びてねじれたケーブルの飛び散りは、剪断を伴わない非伸張性の弾性ロッドの大きな 3D 変形の典型的な例であり、まとめてキルヒホッフのロッドと呼ばれます。 最初の真っ直ぐな構成に加えられる終端トルクと低い張力は螺旋座屈を誘発し、それによって変形モードがねじれから 3D たわみに移行します 15、16、17。 らせんが局所的に形成され始めた後、より多くのねじれにより、長手方向軸に垂直な自己接触形成としてらせんのループが生成されます。 この悶えは、原音と呼ばれる最終段階につながります。 たとえば、プレクトネミック期は DNA18、19、20、21 のスーパーコイルヘリックスで出現します。

無視できない伸張とせん断は、均一な螺旋座屈の後に、ソレノイド 22 として知られる自己接触を特徴とする別のタイプの変形を引き起こします。これには、長手方向の最短波長のうねりが含まれます。 均一な螺旋形成と座屈後の局在化（プレクトネミックまたはソレノイド段階を含む）は、弾性ロッド理論とその拡張を使用してシミュレートできます。 拡張理論では、軸方向の伸張とせん断による局所的な変形方法、および曲げとねじりの方法が説明されています 23,24。 このホックリング現象を理解することは、高次構造の 3 次元変形の観点からは重要ですが、末端のねじれや伸張などの外部作用などの特定の制御パラメーターを考慮すると、一般に、結果として生じるコイル状の形態の再現性は高くありません。

前に示したように、大きな変形を受けるさまざまな構造形態の制御は、さまざまな分野で興味深いものです。 これに関連して、3D 形態の制御可能なシステムを実現するために、変形における限られた自由度を減らすモデリングに焦点を当てます。 我々は、数えられる 3D パターンに変形できる、従来の収縮力を受ける細長い構造の別の概念を提案します。 この概念は、相互接続された枢軸セグメントのもつれの可動性に関するものであり、集合的にもつれモデルと呼ばれます25。 もつれモデルは、回転ヒンジによってループ状に結合された多数の肘付き剛体で構成されます。 考えられる形態は分子環系の立体構造に対応しており、これはドライディング立体モデルまたは立体構造解析によって記述されます 26,27。