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。

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計算する機械から、モノづくりのツールへ!　
GUIの先駆者・サザランド博士の考えを受け継ぐ

３次元CADは、紙の上に書かれた２次元図面をコンピュータ上に拡張したものです。たとえば、家の２次元図面を見ても、どんな家なのかをイメージするのは難しいですが、３次元ならすぐにわかります。また、家をさまざまな角度から見ることもできます。

このような３次元の造形を可能にしているのは、コンピュータです。コンピュータが誕生した当初は、モニタもマウスもありませんでした。計算するためだけの機械だったのです。しかし、計算だけではなく「形」を目に見えるようにすることで、モノづくりの技術を大きく発展させられる考えた計算機科学者がいました。アメリカのアイバン・サザランド博士です。

サザランド博士は、ライトペンと呼ばれるツールでモニタ上に図形を作成できる「Sketchpad」を開発。これは世界初のGUIの実現でした。人とコンピュータの関わり方が劇的に変化し、ＣＧの技術もここから始まりました。サザランド博士から、ユタ大学で直接指導を受けたのが、新関教授の担当教官であった山口富士夫博士です。

こうした学問的な流れを組む新関教授の研究は、単にマシンやソフトウェアとしての３次元CADの機能向上を図るためのものではありません。人間の頭の中にあるイメージを具体化するためのファーストステップにCADがあるとするなら、いかにそのイメージを正確に、スムーズに生み出すことができるのかが、長年に渡る大きな研究テーマです。

高速コンピューティングの実現で
今は新しいCADが生まれる絶好のタイミング！

新関研究室では「頭の中のイメージを具体化する」ことを追究するため、さまざまな視点でアプローチしています。

たとえば、CAD図面が正しいか誤っているかを判定して自動修正するシステムの開発。図形について考えている時の人の脳の血流量を測定する研究。さらに形状を連続変形させながら無駄のない設計を行う「トポロジー最適化」など。新関研究室は、CADの基礎研究を行うことのできる日本では数少ない研究室のひとつなのです。

長年のCAD研究の中から、新関教授が指摘するのは「現代は新しいCADが生まれる絶好のタイミング」だということ。背景には「コンピュータの高速化」があります。かつては、CADの複雑な計算に膨大な時間がかかりましたが、今では素早い計算が可能です。もうひとつ。大きな要因となっているのが「IoTおよびデジタルツインの普及」です。家電・自動車・スマートフォンを含むあらゆるデバイスがインターネットに繋がり、人がモノをどう使うのかがリアルタイムで蓄積されます。そして、実際のモノと対応するサイバー上のモノ＝デジタルツインは３次元CADで作成されるものであり、今爆発的に増え続けています。

さらに、新しいコンピュータ言語であるPythonや３Ｄプリンタも浸透中。データ上の人の行動からニーズを汲み取り、どう具体化するか？など条件は整っています。

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