- 2022-2-23
- Nessan Cleary 記事紹介
米国バージニア工科大学の研究チームは、形状が変化するように設計された材料で物体を構成することにより、物体が複数の機能を持つことを実証し、製造業に広く影響を与える可能性があることを示しました。
This object can change shape from a surface vehicle to a quadcopter.
この物体は、地上の乗り物からクアッドコプターに形を変えることができます。
研究チームは、機械工学のマイケル・バートレット助教授が率い、DARPA Young Faculty Awardと Director’s Fellowshipの資金援助を受けています。Bartlett氏は次のように説明しています。「プロジェクトを始めたとき、私たちは、形状を変え、その形状を保持し、そして元の形状に戻るという 3つのことができ、何サイクルもかけてこれを行うことができる材料を求めていました。」さらに、「課題の一つは、劇的に形状を変化させるのに十分な柔らかさと、異なる機能を果たす適応性のある機械を作るのに十分な剛性を持つ材料を作ることでした。」と付け加えています。
基本的な材料として、彼らは低融点合金（LMPA）でできた内骨格を使い、それをゴムの皮の中に埋め込んだのです。通常、金属を無理に引き伸ばすと、永久に曲がったり、割れたり、伸びたりして、使い物にならない固定された形になってしまいますが、ゴムに埋め込むことで、複合材料が望ましい形を保ち、柔らかいモーフィング素材が瞬時に荷重に耐えられるようになったのです」。
そこで研究チームは、紙を切って形を作る日本の芸術である「切り紙」の原理を利用しました（「折り紙」と混同しないでください。あちらは「折る」のです。）この素材は、切り紙を模した切り込みで構成されており、複合材がある形状から別の形状へと素早く変形し、荷重を受ける構造物に固定することができます。
構造を元の形状に戻すために、LMPAメッシュの横に柔らかい天糸状のヒーターを組み込みました。このヒーターによって、金属はアルミニウムの溶融温度の 10％である 60℃で液体に変化します。エラストマーは、溶けた金属をその場に閉じ込め、元の形状に引き戻し、伸縮を逆転させるため、研究者が「可逆的可塑性」と呼ぶ複合材料となります。金属は冷却されると、再び構造体の形状を保持する役割を果たします。
この報告書の共同執筆者である大学院生の Dohgyu Hwangは、次のように説明しています。「この複合材料は、柔らかいヒーターを備えたゴムの中に金属の内骨格が埋め込まれており、切り紙からヒントを得たカットによって、金属梁の配列が定義されています。これらのカットと材料のユニークな特性を組み合わせることで、モーフィング、形状への迅速な固定、そして元の形状への復帰が本当に重要でした。」
この切り紙からヒントを得た複合デザインは、円柱からボール、そしてピーマンの底のデコボコした形状まで、複雑な形状を作るために使用することができます。また、形状を素早く変えることができ、あるテストでは、ボールで衝撃を与えた後、1/10秒以下で形状を変え、所定の位置に固定することができたそうです。また、壊れても、金属内骨格を溶かして再形成することで何度でも治すことができます。
この技術の応用範囲は広いと思われます。研究チームはこの技術を使って、地上から空中へと自律的に変形する機能的なドローンや、水槽の底から物を回収できる小型潜水艇を作りました。その他の用途としては、機械がさまざまな機能を発揮し、損傷しても自己回復する、いわゆるソフトロボティクスが考えられます。また、ウェアラブルデバイスへの応用も期待されています。
この素材がどのように機能するかを示すビデオなどの詳細情報は、 vt.eduから入手できます。
