慶應義塾研究者情報データベース

プロフィール 【 表示 ／ 非表示 】

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• 私の主な研究の対象は，薄くしなやかな構造の物理と力学です．特に薄い構造が座屈やスナップ座屈などの不安定性を介して生み出される機能に着目しています． これらの薄い構造は，変形する際に「薄さ」という幾何学的性質に支配されます．このメカニズムを考察することによって，対象の構造の性質が明らかになるだけではなく， 一見して長さスケールが全く異なる現象の理解へとつながります．ここ最近で力学は，座屈のような不安定性を予測可能な機能の発現とみなすというパラダイムシフトを経て， リバイバルし，魅力的な研究分野として蘇っています．私の研究の目的は，こうしたしなやかな構造を理解するにあたって，これまで避けるべきとされてきた不安定性を積極的に活用し， 議論の前提とすることで，力学的機能が発揮される 仕組みを明らかにすることにあります．研究手法は 解析解，計算モデル化や有限要素法，そしてデスクトップスケールでのモデル実験による予測です．

教員からのメッセージ 【 表示 ／ 非表示 】

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• われわれの身のまわりには，大小さまざまな棒や板状のものがあふれており，これらは薄い構造と総称されます． ロープ，植物のつる，パスタ，海底ケーブル，リボン，ピンポン球，卵の殻などはその一例です． 薄い構造の特徴は，その「しなやかさ」にあります．薄い板は小さな力によって容易に大きく曲がりねじれます． このことは，幾何学と力学が密接に結びついていることを考えさせられます． 力学分野はガリレオ・ガリレイの材料力学の研究にはじまり，今日では完成された学問分野という印象があります． しかし，デジタル加工技術の急速な発展と普及によって，力学は魅力的な最先端分野として現代に甦っています.
  
  この研究室では，座屈不安定性のように，幾何学的な構造と材料のもつ対称性が破れる過程を研究しています． さらに，その不安定性を「機能の発現」とみなす考えのもとで，新たな工業デザインの発見に取り組んでいます．

経歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2014年04月

  -

  2016年03月

  京都大学基礎物理学研究所, 日本学術振興会特別研究員(DC2)

• 2016年04月

  -

  2019年03月

  立命館大学, 総合科学技術研究機構, 日本学術振興会特別研究員(PD)

• 2019年04月

  -

  2021年03月

  スイス連邦工科大学ローザンヌ校, 日本学術振興会海外特別研究員

• 2021年04月

  -

  継続中

  慶應義塾大学理工学部, 機械工学科, 専任講師

学歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2007年04月

  -

  2011年03月

  京都大学, 理学部

  大学, 卒業, その他

• 2011年04月

  -

  2013年03月

  京都大学, 大学院理学研究科, 物理学宇宙物理学専攻

  大学院, 修了, 修士

• 2013年04月

  -

  2016年03月

  京都大学, 大学院理学研究科, 物理学宇宙物理学専攻

  大学院, 修了, 博士

学位 【 表示 ／ 非表示 】

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• 博士(理学), 京都大学, 課程, 2016年03月

  整流器としての非平衡条件下の揺らぐ運動の研究

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

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• 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理 （しなやかな材料，座屈，ソフトロボティクス）

• ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 材料力学、機械材料 （しなやかな材料，座屈，ソフトロボティクス）

研究テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

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• ソフトロボティックマターの物理, 

  2021年04月

  -

  継続中

• 接触を伴うしなやか材料の大変形予測, 

  2021年04月

  -

  継続中

• 絡まり構造のメカニクス, 

  2021年04月

  -

  継続中

論文 【 表示 ／ 非表示 】

論文 【 表示 ／ 非表示 】

• Buckling of Knitted Fabric Wrapped Around a Rigid Cylinder

  Tajiri K., Sano T.G.

  Journal of Applied Mechanics 93 （ 5 ）  2026年05月

  研究論文（学術雑誌）, 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り,  ISSN  00218936

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  Knitted fabrics exhibit high flexibility due to their periodic loop structures formed by bent yarns. Under compressive loading, they develop three-dimensional (3D) wrinkling patterns that reflect nonlinear interactions between yarn elasticity and local loop deformations, as observed when the sleeves of a sweater are rolled up. Despite their widespread use in garments and medical textiles, the relationship between loop-level geometry and macroscopic buckling remains less understood. Here, we investigate the 3D deformation of knitted fabrics wrapped around a rigid cylinder under uniaxial compression. Circumferential and axial stitch numbers are systematically varied to determine how loop geometry affects the evolution of wrinkle patterns. Samples with a small number of circumferential stitches exhibit sequential wrinkle formation from the compressed end, leading to an accordion-like wrinkle pattern, whereas those with a larger number of stitches form helical wrinkles simultaneously across the surface. Wrinkle morphology changes progressively with stitch geometry, accompanied by systematic variations in compressive force, loop deformation, and helical wrinkle angle. The development of helical wrinkles originates from subtle structural asymmetries introduced during manufacturing processes, including the tension applied during knitting and the direction of sample assembly. These results demonstrate that small variations in local loop deformation can lead to substantial differences in wrinkle morphology, highlighting the sensitivity of macroscopic buckling to microscopic structural features. The study establishes a direct link between loop-level mechanics and global deformation behavior, providing a basis for the predictive design of knitted structures with tailored mechanical responses and complex 3D patterns.

  • Access to Document (DOI)

• Sliding of a cylindrical shell into a rigid hole

  Matsumoto Y., Yoshida K., Sano T.G.

  Physical Review E 113 （ 3 ）  2026年03月

  研究論文（学術雑誌）, 最終著者, 責任著者, 査読有り,  ISSN  24700045

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  Fitting two different materials is a versatile methodology in manufacturing complex structures. One of the canonical models for fitting is the snap-fit model, in which flexible materials and rigid structures are assembled by pushing their interlocking components together. The assembly via snap-fit is often accompanied by large deformations of flexible structures and abrupt force drops, highlighting the role of elasticity, geometry, and contact friction. Despite several model studies revealing fundamental mechanics for snap-fit, the current snap-fit design relies on prototyping and empirical rules. In this paper, we analyze a snap-fit model in which a naturally curved beam slips into a rigid hole. We construct an analytical model based on the theory of elastica with contact friction and demonstrate that its predictions are in excellent quantitative agreement with both simulations and experiments. We find three distinct sliding modes: folding, pinning, and unfolding. The classification is systematically organized in a phase diagram based on the geometric parameters of the shells and the hole. Our study complements existing approaches by providing a predictive framework for contact-based structures that involve friction, elasticity, and geometry, and sheds light on a unified understanding of the interactions between an elastic and a rigid body.

  • Access to Document (DOI)

• (Dis)continuous buckling transition in elastic shell mediated by contact

  Abe T., Sano T.G.

  Physical Review Research 8 （ 1 ）  2026年01月

  研究論文（学術雑誌）, 共著, 最終著者, 責任著者, 査読有り,  ISSN  26431564

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  Snap buckling is a rapid shape transition in slender structures, appearing as a fundamental switching mechanism of natural and man-made systems. Boundary conditions of structures are crucial to predict and control their snap buckling behavior. However, the general framework that relates boundary conditions, geometry, and performance of structures is still absent to date. Here, we study the snap buckling of hemispherical shells in contact with rigid cylinders of different diameters to uncover the roles of boundary conditions in dynamic performance of shells. Specifically, we analyze the jumping dynamics of the pneumatically inverted shells placed on the rigid cylinder by combining experiments and analytical theory. We find the characteristic diameter of the cylinder determined from the shell geometry that can switch between continuous and discontinuous buckling associated with the jumping behavior. The analytical predictions for jumping performance of the shell supplemented with the characteristic diameter are in excellent agreement with our experimental results. Our study clarifies that contact geometry is crucial in predicting the pathway of snap buckling, indicating that dynamic performance of soft robots would be optimized by tuning their surface geometry.

  • Access to Document (DOI)

• Twist deformation of physical trefoil knots

  Goto T., Nomura S., Sano T.G.

  Extreme Mechanics Letters 78 2025年08月

  研究論文（学術雑誌）, 最終著者, 責任著者, 査読有り

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  Knots across various length scales, from micro to macro-scales, such as polymers, DNA, shoelaces, and surgery, serving their unique mechanical properties. The shapes of ideal knots have been extensively studied in the context of knot theory, while those of physical knots have only been recently discussed in the literature. The complex interplay of elasticity and geometry, such as bending, twisting, and contact, needs to be disentangled to predict their deformation. Still, the unified understanding of the deformation of physical knots is insufficient. Here, we focus on the trefoil knot, a closed knot with a nontrivial topology, and study the relationship between the shapes of the trefoil knot and applied physical twists, combining experiments and simulations. As we twist the elastomeric rod, the knot becomes either tightened or loosened, preserving the original three-fold symmetry, and then buckles and exhibits symmetry breaking at critical angles. The curvature profiles computed through the X-ray tomography (μCT) analysis also exhibit similar symmetry breaking. The transition would be triggered by the mechanical instability, where the imposed twist energy is converted into the bending energy. The phase transition observed here is analogous to the classical buckling phenomena of elastic rings known as the Michell instability. We find that the twist buckling instability of the trefoil knot results from the interplay of bending, twisting, and contact properties of the rod. In other words, the buckling of the knot is predictable based on the elasticity and geometry of rods, which would be useful in avoiding or even utilizing their buckling in practical engineering applications such as surgery and the shipping industry.

  • Access to Document (DOI)

• Curling morphology of knitted fabrics: Structure and Mechanics

  Tajiri K., Murakami R., Kobayashi S., Tarumi R., Sano T.G.

  Extreme Mechanics Letters 76 2025年05月

  研究論文（学術雑誌）, 最終著者, 責任著者, 査読有り

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  Knitted fabrics are two-dimensional-like structures formed by stitching one-dimensional yarn into three-dimensional curves. Plain stitch or stockinette stitch, one of the most fundamental knitting stitches, consists of periodic lattices of bent yarns, where three-dimensional (3D) curling behavior naturally emerges at the edges. The elasticity and geometry of knitted fabrics have been studied in previous studies, primarily based on 2D modeling. Still, the relation between 3D geometry and the mechanics of knitted fabrics has not been clarified so far. The curling behavior of knits is intricately related to the forces and moments acting on the yarns, geometry of the unit knitted loops, mechanical properties, and contacts, hence requiring a 3D analysis. Here, we show that the curling of plain knits emerges through the elasticity and geometry of the knitted loops, combining desktop-scale experiments and reduced elasticity-based simulations. We find that by changing the horizontal and vertical knitting numbers, three types of curl shapes emerge: side curl and top/bottom curl shapes, which are curled only horizontally and vertically, and double curl shape, in which both curl shapes appear together. We uncover that the knit is side-curled when the knitted loop is vertically elongated, while we observe double curl and then top/bottom curl as the loop becomes horizontally elongated. Furthermore, we find that this characteristic loop shape affects the mechanical properties of knitted fabrics. The fundamental mechanism of intricate shape deformation is clarified through the force and moment balance along yarn whose centerline shape is discretized through the B-spline curves, where elastic stretching, bending, and contact mechanics are taken into account. We reveal that the 3D structure of the single knitted loop plays a critical role in the curling behavior. Our results imply that the change in shape per a single knitted loop has the potential to control the 3D natural overall shape of knitted fabrics. The 3D curling behavior of knitted fabrics is useful for industrial applications such as composite materials, wearable devices, and actuators. Our findings could be applied in predicting or designing more complex 3D shapes made of knitted fabrics.

  • Access to Document (DOI)

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KOARA（リポジトリ）収録論文等 【 表示 ／ 非表示 】

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• 薄板の巻き取りに伴う構造不安定性の制御

  佐野, 友彦

  福澤諭吉記念慶應義塾学事振興基金事業報告集 （福澤基金運営委員会）  2023年

• 不均一な弾性体の力学特性の研究に基づくメカニカルメタマテリアルの設計原理の解明

  佐野, 友彦

  科学研究費補助金研究成果報告書 2023年

• しなやかなロボットアームの力学的機能予測のための理論的実験的枠組みの確立

  佐野, 友彦

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学）  2022年

• 精密ファブリケーションと高速シミュレーションが切り開く幾何学材料の力学

  佐野, 友彦

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学）  2021年

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

• しなやかさとともに，かたちあり――弾性と幾何

  佐野友彦，和田浩史

  日本物理学会誌 74 （ 12 ）  2019年12月

  記事・総説・解説・論説等（その他）, 筆頭著者

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

• Shapes of knits and knots

  Tomohiko G. Sano

  [国際会議]  WPI–AIMR & WPI–SKCM2 International & Interdisciplinary Math–Materials Workshop, 

  2025年07月

  , 

  口頭発表（一般）

• Morphing structures inspired by plants and toys —useless and useful mechanical engineering—

  Tomohiko G. Sano

  [国際会議]  ICTAM2024, Daegu, Korea, 

  2024年08月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

• Morhing materials as building blocks of soft robots

  Tomohiko G. Sano

  [国際会議]  IUTAM Symposium on Mechanics of Soft Materials and Soft Robots., 

  2024年05月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

• Crack propagation on bilayer spherical shells

  Tomohiko G. Sano, Naoki Sekiya, Yuri Akiba

  [国際会議]  APS March Meeting, Minneapolis, 

  2024年03月

  , 

  口頭発表（一般）

• Soft robots and structures inspired by foods and toys

  Tomohiko G. Sano

  [国際会議]  Japan-China Workshop on Bio-Soft Matter 2023 , 

  2023年09月

  , 

  口頭発表（招待・特別）

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競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

• ソフトロボットのための高解像度磁化パターニング

  2024年04月

  -

  2028年03月

  日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 津守 不二夫, 佐野 友彦, 佐野 友彦, 基盤研究(A), 未設定

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  ソフトロボティクス分野の発展とともに柔軟な駆動構造に注目が集まっている．その中でも外部からの磁場により駆動する磁性柔軟材料は，配線なしに空間を介してエネルギー供給可能であり複雑な動きを生み出すことができるため，体内で駆動可能な医療ロボットへの応用等が期待されている．本研究では微細化可能な高い解像度および設計自由度を有する駆動構造作製プロセスを開発する．同時に，幾何学的に非線形な３次元変形を数理的に予測可能な理論的枠組みを構築し，設計手法を完成させる．最終的に，生体の繊毛群挙動や軟体動物腹足類の這行運動を例に取り上げ，柔軟な駆動体の大変形を磁場によって精緻に制御可能であることを実証する．
  ２０２４年度の研究では，シリコーンゴムをベースとした磁場駆動構造において，繊毛群の協調運動を実現しました．また，pneumaticな変形とのハイブリッド駆動方式を新たに提案しました．さらに，ゲル材料の駆動に関する研究では磁場駆動以外の変形についても検討しつつ，ゲル材料の磁化パターニングに関する研究も遂行しました．レーザを用いた新しいプロセスを改良しすることで，50マイクロメートル程度の高い解像度を達成しました．さらに，ゲルとレジンとの接着技術も確立しました．これらの成果により，柔軟な駆動構造の設計と制御に関する知見が大きく進展しました．
  今後，これらの成果を基盤とし，さらなる高解像度化と人工繊毛群の応用研究を進めていきます．具体的にはシリコーンゴムをベースとした磁場駆動構造の解像度をさらに向上させ，より精密な動作制御を実現することを目指します．ゲル材料の磁化パターニング技術についても，解像度の向上とプロセスの最適化を図ります，人工繊毛群への応用研究を進めます．
  2024年度の研究では，シリコーンゴムをベースとした磁場駆動構造において，繊毛群の協調運動を実現することに成功しました．この成果はシリコーンゴムの柔軟性と磁場による駆動の特性を活かし，複雑な動きを精密に制御することが可能であることを示しています．さらに，オプショナルな研究としてpneumaticな駆動様式とのハイブリッド駆動法を新たに提案しました．このハイブリッド方式は磁場駆動と空気圧駆動の両方の利点を組み合わせることで，より多様かつ自由度の高いな動作を実現できます．
  また，ゲル材料の駆動に関する研究では，磁場駆動以外の変形についても検討しました．これにより，ゲル材料の多様な応用可能性が広がり，より柔軟で適応性の高い駆動構造の設計が可能となりました．特にゲル材料の磁化パターニングに関する研究ではレーザを用いた新しいプロセスを改良し，50マイクロメートル程度の高い磁化パターニング解像度を達成しました．この高解像度の磁化パターニング技術は，微細な構造を精密に制御するための重要なステップとなります．
  さらに，ゲルとレジンとの接着技術も確立しました．この技術は，異なる材料間の強固な接着を可能にし，今後の多様な駆動製造の作製において重要な役割を果たします．これらの成果により，柔軟な駆動構造の設計と制御に関する知見が大きく進展し，特にバイオ流体系への応用可能性がさらに広がりました．
  今後の計画では，昨年度の成果を基盤とし，さらなる高解像度化を目指すとともに人工繊毛群の応用研究を進めていく予定です．具体的には，磁場駆動構造の解像度をさらに向上させ，より精密な動作制御を実現することを目指します．これにより，マイクロチップ上でのバイオ系流体研究分野などの応用研究を進めます．
  また，昨年度に提案したpneumaticな変形とのハイブリッド駆動方式についても，さらなる検証と改良を行います．このハイブリッド方式は磁場駆動と空気圧駆動の利点を組み合わせることでより多様な動作を実現できるため，応用範囲を広げることに期待できます．
  さらに，ゲル材料の磁化パターニング技術についても解像度の向上とプロセスの最適化を図ります．特に50マイクロメートル以下の微細な構造を精密に制御するための技術開発を進め，より高度な駆動構造の設計を目指します．
  人工繊毛群の応用研究についても，生体模倣技術の発展に寄与することを目指します．柔軟な駆動構造の設計と制御に関する知見がさらに深まり，バイオメディカル分野での新たな応用の可能性を広げることを目指します．

• 高速計算と精密実験がひもとく幾何学材料の相転移機構の解明

  2022年

  -

  2028年

  科学技術振興機構, 佐野 友彦, 戦略的な研究開発の推進/創発的研究支援事業, 未設定

  　研究概要を見る

  モノの変形を記述する「力学」の礎が築かれて以来、力学は様々な分野に派生しています。ここ20年では構造の不安定性を既知のものとし、逆に新たな力学的機能が発現したとみなすパラダイムシフトを経て、力学は新たな展開を見せています。私は薄い構造物のしなやかさと幾何学に着目し、構造同士がお互いに力を及ぼし合うことにより創発される新奇な力応答のメカニズムを精密実験、理論、数値計算を組み合わせて明らかにすることを目指します。

• 不均一な弾性体の力学特性の研究に基づくメカニカルメタマテリアルの設計原理の解明

  2018年04月

  -

  2024年03月

  文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 佐野 友彦, 若手研究, 補助金,  研究代表者

  　研究概要を見る

  複雑な内部自由度をもつ構造物の力学応答をデザインする指針を明らかにする。一般に、自然な構造物では通常起こり得ない特異な力学特性を示す材料は、メカニカルメタマテリアルと呼ばれる。構造を圧縮すると通常は圧縮方向に垂直にふくらむ(ポアソン比が正)が、逆に垂直にも縮むもの(ポアソン比が負)が例として挙げられる。メカニカルメタマテリアルは対称性の高い内部構造を用いて開発されており、その非対称性や乱れが全体に与える影響は明らかにされていない。本研究は構造の乱れと不均一性がメカニカルメタマテリアルに与える影響を系統的に考察することにより、力学応答を自在にデザインするための指針を解明する。
  本研究はくしゃくしゃに丸めた紙に代表される内部構造を持つ弾性材料の力学特性を明らかにすることを目的にしている。初年度は、丸めた紙の皺を系統的に生成する方法を確立し、皺が発生する過程での力学的性質を実験的に明らかにした。同じ直径の金属柱を二つ用意し、一つをリニアステージに取り付ける。そしてもう一つをロードセルと共に光学定盤に固定する。金属柱に紙(Mylar sheet)を巻きつけ、巻きつけた紙を金属柱より少し大きな直径をもつアクリル円筒内に入れ、紙のもう一端を光学定盤に固定した金属柱に固定する。リニアステージの変位制御により、巻きつけた紙に対して圧縮と伸張を繰り返し、その際に発生する力を変位の関数として測定した。この繰り返しにより系統的に皺を発生することができる。ロードセルで測定した力変位曲線の結果から、皺を発生させる力にも先行研究で知られている「皺の全長」と圧縮伸張回数の関係に類似した関係式が実験的に得られた。紙に皺を発生させるという一見乱雑な過程にも普遍的な数理構造があることが示唆された。研究成果は未だ公表に至っていないが、共同研究者との議論を重ね解析を続けている。またアメリカ物理学会に参加し関連研究の情報収集を行なった。
  内部構造を持つ弾性材料の簡単な問題として、円筒に切れ込みを入れたシェル構造体の力学特性を定量的にあきらかにした。切れ込みの入った円筒は、切れ込みのない円筒の場合と比べ、変形の緩和長が大きくなることがわかった。切り紙のような構造デザインを考える際の指針になりうると考えている。

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

• 材料力学部門部門一般表彰　優秀講演表彰

  2023年, 日本機械学会M&M2023カンファレンス, ポテトチップスはどのように曲がるか

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

• 材料力学部門部門一般表彰　優秀講演表彰

  2022年, 日本機械学会M&M2022カンファレンス, ランダムに積み上げたシェル集合体のしなやかな力学応答

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

• 材料力学部門部門一般表彰　優秀講演表彰

  2021年, 日本機械学会M&M2021カンファレンス, 磁化したしなやかな弾性体の縮約理論とその実験的検証

  受賞区分： 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

• Emerging Talents 2021

  2021年, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Reduced theory for hard magnetic rods with dipole–dipole interactions

  受賞区分： 国内外の国際的学術賞

• the Winners of the Most Watched Poster/Prerecorded Videos

  2020年, Virtual Technical Meeting Society of Engineering Sciences 2020, A Kirchhoff-like theory for hard magnetic rods under three-dimensional geometrically nonlinear deformation

  受賞区分： 国際学会・会議・シンポジウム等の賞

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担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

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• 先端数物科学博士研究

  2026年度

• 総合デザイン工学特別研究第２

  2026年度

• 総合デザイン工学修士研究１

  2026年度

• 機械工学実践研究活動Ｃ

  2026年度

• 先端数物科学修士研究１

  2026年度

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メディア報道 【 表示 ／ 非表示 】

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• （扉）日常にひそむ「やわらか物理」　ひもやゴムにルール、月面探査にも応用？

  朝日新聞,  （朝刊 (教育科学誌面) 18ページ） , 2025年12月

所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

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• 日本機械学会, 

  2021年

  -

  継続中

• American Physical Society, 

  2018年

  -

  2024年

• 日本物理学会, 

  2011年

  -

  継続中

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

• 2026年

  -

  継続中

  日本物理学会Jr.セッション委員会委員

• 2024年

  -

  2026年

  日本物理学会新著紹介委員

• 2022年10月

  -

  2023年09月

  日本物理学会領域12運営委員

• 2022年

  -

  継続中

  日本機械学会材料力学カンファレンスOS委員