二重ロボットによるコアレス・フィラメント巻きで共創された天然繊維—木材ハイブリッド構造システム

より少ない資源で、より多くを築く

都市が拡大するにつれて、より多くの建物が必要になりますが、現代の建設方法は膨大なエネルギーと原材料を消費します。本稿は別の道筋を探ります：木材と植物由来の繊維を組み合わせ、ロボットで製作する新しいタイプの軽量構造を提案し、資源の使用を抑えながら強度と耐久性を確保することを目指します。研究者たちは、スマートな設計とデジタル製造が建築を環境負荷の低いものにしつつ視覚的にも魅力あるものにできることを示すため、実物大の屋外パビリオンを設計・構築してこの考えを検証します.

材料を見直すことが重要な理由

コンクリート、鉄鋼、従来型プラスチックは世界の炭素排出の大きな割合を占めます。木材は成長過程で炭素を蓄えるため、しばしばより環境に優しい代替とされます。しかし、もし新築の大部分が木材だけで作られるなら、はるかに多くの森林プランテーションが必要になり、森林破壊、病害虫、そして生物多様性の損失を招く懸念があります。一方で、亜麻（フラックス）などの天然繊維への関心は高まっており、これらは一季で生育し、金属や合成繊維よりも加工に要するエネルギーが少ない場合があります。著者らは、いずれか一つの材料に過度に依存するのではなく、複数の再生可能材料をそれぞれ最も適した用途で組み合わせるべきだと主張します。

新しいタイプのハイブリッド構造

チームは、木製プレートと支柱を部分的にバイオ由来の樹脂で固着した亜麻繊維束と組み合わせる構造システムを開発します。このシステムでは、木材が押しや圧縮に対する力を担い、繊維ネットワークが引張や伸長に対する力を負担します。特徴的なのは、木材が二重の役割を果たす点です：単に構造材として働くだけでなく、従来は繊維複合材の成形に用いられていた一時的な鉄製治具を置き換えます。繊維は精密に加工された木材の溝やポケットに直接巻き付けられ、樹脂が硬化すると木材と繊維は一体となった相互依存のシステムになります。この手法は廃棄を減らし、かつて破棄されていた治具を完成した建築の一部に変えます。

木製キャノピーを織るロボット

パビリオンを製作するために、研究者たちはコアレス・フィラメント巻きという技術の高度版に依存します。固い型に繊維を敷く代わりに、アンカーポイント間に繊維を張り、糸の張力から最終形状を導き出します。本研究では、二台の産業用ロボットが共有する木製フレームの周りで協働します。各ロボットは自分の亜麻繊維束を樹脂浴に通し、細い木製支柱の反対側から同期して巻き付けることで引張力を均衡させ、木材の割れを防ぎます。詳細なデジタルワークフローが、全体形状の探索、構造シミュレーション、接合部設計、ロボット軌道計画を連結し、幾何、強度、製造性が相互に反映されるようにします.

実験台としてのパビリオン

成果は、三つのハイブリッド柱と五枚の屋根パネルで支えられたキャノピーで、キャンパスの公園に一時基礎で設置されました。厚さわずか42ミリの細い木製プレートは、下面の補強繊維メッシュのおかげで最大7.5メートルを跨ぎます。構造解析は、ハイブリッドシステムが厚い単一の木製スラブと同等の剛性を示しつつ、構造全体の重量をほぼ半分に削減できることを示しています。柱内では、いくつかの繊維がケーブルのように引張に働き、他の繊維と木製支柱が圧縮荷重を分担して、複雑で効率的な荷重経路を生み出します。著者らはまた、部材間の可逆的な接続を設計し、隣接する繊維体を結ぶ「ファイバースティッチ」を開発して、現場での組立と後の分解を可能にしています。

組み立てるだけでなく、分解できる構造へ

使用後、パビリオンは材料をどれほど容易に回収できるかを試すために注意深く解体されます。作業者は繊維と木材が接する限定的な接触部を切断し、ねじを取り外し、プレート、支柱、繊維メッシュを分離します。木部材は他のプロジェクトで再利用され、亜麻複合材の端材は菌糸体などのバイオ由来充填材を用いた実験に再利用されます。これは繊維—木材の接合が永久的に見えても、システムは分解と材料の循環利用を支えうることを示します。同時に、樹脂が部分的にしかバイオ由来でないこと、二重ロボットプロセスの複雑さ、許容差や巻き付け経路の微調整の難しさといった残る課題も浮き彫りになります。

未来の建築にとっての意義

簡潔に言えば、このパビリオンは、一つの重厚な材料に頼るのではなく、異なる天然材料がそれぞれの役割を分担することで、軽く、強く、表現力のある構造を築けることを示しています。協調したロボットで木材の周りに亜麻繊維を編み込むことで、全体の材料使用量を減らし、構造重量を削減し、新しい建築形態を開くことが可能になります。長期的な耐久性、耐火性、完全に再生可能な樹脂についてはさらなる研究が必要ですが、このハイブリッド手法は森林負荷を軽減し、炭素排出を抑え、より容易に分解・再利用できる建築への道を示唆しています。建築が恒久的な物体というより、再構成可能な再生部材のエコシステムのように振る舞う未来を示すものです。

引用: Duque Estrada, R., Kannenberg, F., Chen, TY. et al. Co-design of a natural fiber-timber hybrid structural system using dual-robot coreless filament winding. Sci Rep 16, 8154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40584-6

キーワード: バイオ由来の建築, ハイブリッド木造構造, 天然繊維複合材料, ロボットによる製作, 軽量パビリオン設計