構造材料の軽量化と高い機械的性能との有効なバランスを実現するために、本研究では蚕繭の階層構造と力学特性の構造活性化関係を体系的に研究し、これに基づいて軽量で高強度な構造材料のバイオミメティック設計および製造を行った。マルチスケール形態評価と機械的試験を通じて、蚕繭の軽量高強度特性の構造的起源を明らかにし、厚さ方向における構造パラメータと力学特性の勾配変化の解析に基づき、空隙率と繊維結合強度が繭層の力学応答を協調的に調節するメカニズムおよび層間結合界面が全体の力学性能に突出した寄与をしていることを明確にした。その後、溶剤「溶接」技術を導入して繊維間の効果的な接合を実現し、トポロジー構造の最適化、溶接回数の増加、多層複合戦略により空隙率、繊維結合強度、層間結合強度を相対的に独立して調節し、繭様層構造繊維の機械的性能を著しく向上させた。作製された多層複合繊維は軽量性を保ちながら、比強度および比弾性率がそれぞれ117.4 MPa·g^-1·cm³および1.55 GPa·g^-1·cm³に達し、天然蚕繭の機械的性能を上回った。本研究は「メカニズム解明－バイオミメティック設計－性能最適化」の統合研究フレームワークを通じて、軽量高強度構造材料のバイオミメティック設計および製造に理論的根拠と技術的道筋を提供する。

蚕繭; 階層構造; 構造活性化関係; バイオミメティック設計; 力学強化