振動台実験と有限要素解析で検証されたテラコッタ兵馬俑のトポロジー最適化補強

もろい軍団を守る

「世界の第八の不思議」とも称され、二千年以上にわたって埋もれていたテラコッタ兵馬俑は、その堂々とした姿から受ける印象よりはるかに壊れやすい。現在は博物館や発掘展示室に置かれ、重力や経年劣化、そして常に存在する地震のリスクにさらされている。本研究は、空洞の粘土像の内部に巧妙で個別化された支持体を目立たず組み込み、来訪者の視覚を損なうことなく安全で安定した状態を保つ方法を探る。

古い彫像が現代の支援を必要とする理由

ショーケース内の小さな遺物とは異なり、実物大の兵馬俑は背が高く重く、比較的小さな台座の上に立っている。何世紀も地下にあったことで粘土は弱くなり、内部に見えない欠陥が生じている。復元して展示すると、自重や地盤の揺れが足首や裾の下端などの繊細な部分に力を集中させる。力が高まりすぎると亀裂が再び開いたり新たな損傷が生じたりし、保存修復後に発生する「二次損傷」と呼ばれる事態を招く。こうした破壊を防ぐことは不可欠であり、一度壊れれば歴史的損失は取り返しがつかない。

デジタル技術で賢い支持を設計する

研究者らは実物大の複製像を用いて、内部支持の新しい設計法を試した。まず高精度の3Dレーザースキャンで像を走査し、数百万点の表面点から詳細なデジタルモデルを作成した。得られたモデルをコンピュータシミュレーションに用いて、自重や想定地震時に像がどのように変形し、どこに応力が集中するかを計算した。結果は、最も脆弱な領域が裾の下部、脚との接合部、足首周辺にあることを示した。従来の汎用金属フレームに頼る代わりに、チームは裾の下に環状の領域を定義し、必要でない支持材をコンピュータに“削り取らせる”よう設計した。

コンピュータに最良形状を彫らせる

この彫刻のようなプロセスはトポロジー最適化と呼ばれ、非常に規律ある彫刻家のように機能する。最初は中空の台形環から始め、ソフトウェアは多数の解析サイクルを実行した。各サイクルで荷重をほとんど担わない小さな部分を削ぎ落とし、最も働く部分を残しつつ、材料量や強度の増減を追跡した。数十ステップを経て、形状は効率的で蜘蛛のように細い支持構造へと進化した：楕円形の上部環が八本の細い脚で基部に接続され、後に製造が容易で視覚的に目立ちにくい四本の頑丈なロッドへと簡略化された。コンピュータモデルとより従来的な最適化手法は、この配置が比較的少ない材料で像の下部に最適な支持を提供することに一致した。

地震に対する隠れた盾を試験する

最適化されたブラケットが像を本当に守るかを検証するため、チームは標準的な構造用鋼でそれを製作し、複製像の一つに内部設置して、もう一つを対照として無支持のままにした。両者を振動台にボルト固定し、既知の地震記録を異なる強度で三段階にわたり入力した。肩部に取り付けたセンサーは各像の動きと加速度を記録した。ブラケットがない場合、複製像は高強度の振動で顕著に揺れ、肩の加速度は地盤変位に比して大きく増幅された。ブラケットを入れると、肩の加速度は通常半分程度に低下し、揺れも格段に穏やかになり、裾周辺の応力は約40％減少した。重要なのは、どちらの複製像も試験中に目に見える損傷を受けなかったことであり、この方法が粘土に過大な負荷をかけずに保護できることを示している。

ほとんど消える支持を作る

鋼製ブラケットは機械的には有効だが堅く不透明で、脆弱な表面を傷つけたり彫像の鑑賞を妨げたりする恐れがある。そこでチームは透明で強度の高い航空宇宙用のプラスチック、ポリカーボネートを検討した。同じ最適化戦略を用いて、視覚的に類似したブラケットをこの透明なプラスチックで設計した。シミュレーションでは、ポリカーボネート版は地震関連の動きを約39％抑制し、鋼よりやや劣るもののテストしたシナリオでは像を安定させるのに十分であることが示された。プラスチックははるかに軽く、磨耗性が低く、光を約90％透過するため、来訪者の目にほとんど見えない微妙な支持を提供しつつ作品を保護する利点がある。

古い宝物を守る新しい手法

日常的な観点から、本研究はテラコッタ兵馬俑に対して、弱点に精密に合わせた目に見えない“外骨格”を与えることが可能であることを示している。3Dスキャン、コンピュータシミュレーション、賢明な材料選択を組み合わせることで、保存担当者は古い粘土と荷重を静かに分担し、地震の影響を和らげ、将来の亀裂の発生確率を下げる支持を設計できる。同じワークフローは陶像、石像、空洞木彫など他の大きく脆い遺物にも応用可能であり、世界の文化遺産を次世代に安全に残すための強力な新たなツールキットを提供するだろう。

引用: Zhu, L., Liu, X., Lan, D. et al. Topology-optimized reinforcement of Terracotta Warriors validated by shaking-table testing and finite-element analysis. npj Herit. Sci. 14, 231 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-025-02249-x

キーワード: テラコッタ兵馬俑, 文化遺産保存, 耐震保護, トポロジー最適化支持体, ポリカーボネートブラケット