ハーバード大学の研究者が切り紙を使ってプログラム可能なメタマテリアルを構築

・ハーバード大学の研究者らは、切り紙を使ってプログラム可能なメタマテリアルを開発し、ソフトロボットに組み込むことに成功しました。

・この技術は、マルチモーダルな機能を持つスマートなソフトスキンを設計するための新しい扉を開くものです。

切り紙とは、日本の切り絵芸術で、紙を折りたたんだ後、希望の形に巧みに切り取っていきます。完成した切り紙は、紙を広げて見ることができます。単純な切り紙は、ペンタグラムや雪の結晶のように対称的なものが多い。

最近では、正方形を円形にしたり、2次元の形を3次元にしたり、ヘビをモチーフにしたロボットを開発するなど、科学者たちがこの技術を利用しています。これはほんの始まりにすぎません。この技術は近い将来、さまざまな応用が可能になるでしょう。

最近では、ハーバード大学の研究者が、切り紙の表面をプログラムするフレームワークを開発し、ウェアラブルデバイスや伸縮自在のエレクトロニクス、形状を変えるロボットなどに利用できるようになりました。

切り紙素材の機能性を高める

切り紙のメタマテリアルは、簡単に切り取ることができ、伸ばすことで複雑な3次元形状に変化します。切り紙構造に階層性を持たせることで、伸縮性の向上やバンドギャップの調整が可能になり、機能性がさらに高まります。

これまで、階層的な切り紙メタマテリアルの研究は、厚いシートの面内変形に焦点を当てていましたが、今回の研究では、薄い階層型切り紙シートとその面外での座屈挙動について検討した

この研究では、レーザー切断によってシートを一連の四角い箱に分割し、その後、さらに別のレベルのカットを用いて、これらのボックスをより小さな正方形に細分化しました。

メタマテリアルを引き伸ばすと、1段目と2段目の両方のカットが反応します（2段目のカットはより豊かな反応を示す）。

研究チームは、シートの厚さと各レベルのカットの幅を慎重に選ぶことで、機械的なメタマテリアルをプログラムすることができることを発見しました。

研究チームは、このプログラム可能な階層型切り紙シートを引き伸ばして、「I Love HU」というメッセージを表示したり、クリスマスツリーなどの特定の形を浮かび上がらせたりして、その成果を示しました。

つまり、2つ以上の階層的なパターンを混ぜ合わせて1つの異質な表面を形成すると、研究者は機械的な反応をさらに設定し、機械的な変形を加えることでデータを暗号化して読み出すことができるのです。

今後の展開

今回の研究で開発された技術は、形態学的計算とプログラマブル・メタマテリアルの分野に貢献しています。また、マルチモーダルな機能を備えたスマートなソフトスキンを設計するための新たな扉を開くものでもあります。

材料の機械的特性を制御できるようになれば、スマートディスプレイや触覚センサー、環境に応じて摩擦レベルを変化させるスキンなど、ソフトロボティクスに階層的な切り紙面を組み込むことが可能になります。