シュリンキーディンクの技術はより優れたロボットを作ることができる

動くための機構を必要としないロボットアームや、体内で自ら拡張したり形を変えたりできる手術器具を想像してみてください。奇妙で不思議なものに聞こえるかもしれませんが、実際にすでに存在しているのです。

これらの風変わりな器具はすべて、形状記憶ポリマー、つまり自ら形を変えることができる素材のカテゴリーに依存しています。現在、スタンフォード大学の研究者は、これまでのどのポリマーよりも強く、より高性能な形状記憶ポリマーを作製しました。彼らは先週、 ACS Central Science誌にその研究を発表しました。

「[形状記憶ポリマー]は私たちの生活の中でしばらく前から商品化されています」と、スタンフォード大学の大学院生で論文の主執筆者の一人であるシェイラ・ニクザド氏は言う。

ポリマーは、多数の小さな分子が巨大な鎖状に結合してできた非常に長い分子です。ポリマーが私たちの世界を動かしていると言っても過言ではありません。細胞の背後にある DNA はポリマーです。シルクやゼラチンもポリマーでできています。日常生活では、プラスチックや合成ゴムを構成する人工ポリマーに遭遇することがよくあります。

形状記憶ポリマーは非常に特殊なタイプのポリマーです。曲げると、ポリマー内の分子が特殊な結合を形成します。そして、光、電気、または最も一般的な温度変化などの何らかの刺激にさらされると、これらの結合が壊れ、ポリマーは元の状態に戻ります。

言い換えれば、形状記憶ポリマーは元の形状を「記憶」しており、本来の形状に戻ることができます。多くのエンジニアにとって、その能力は魅力的です。

「形状記憶ポリマーを使えば、実際に引っ張ったり伸ばしたりしなくても形が変わる装置を作ることができる」と、論文の著者ではないイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の航空宇宙工学教授カイ・ジェームズ氏は言う。

シュリンキー ディンクで遊んだことがあるなら、形状記憶ポリマーが実際に動いているのを見たことがあるでしょう。オーブンに入れると、縮んで硬くなります。もちろん、その後シュリンキー ディンクを簡単に元に戻すことはできません。実際、多くの形状記憶ポリマーは、一方向にしか「元に戻りません」。

しかし、形状記憶ポリマーは単なるおもちゃ以上のものです。さまざまな意味で、すでに私たちの周りの世界を形作っています。ワイヤーの中には、収縮してワイヤーの絶縁性を高める形状記憶コーティングが施されているものもあります。布地に形状記憶ポリマーを使用すると、暑いときには通気性が高まり、寒いときには防水性が高まります。

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研究者らはまた、動脈にフィットして拡張し、血流を増加させる自動縫合糸やステントなどの形状記憶ポリマーを病院内に導入する取り組みも行っている。

ニクザド氏とその同僚は、形状記憶ポリマーをロボットに応用することに特に興味を持っている。形状記憶ポリマーから人工筋肉を作ることで、機械やアクチュエーターなどの重い機構を使わずに動くロボットアームを作ることができる。

「しかし、大きな障害の一つは、材料が本質的にあまり強くないという事実です」とニクザド氏は言う。

エンジニアは形状記憶ポリマーを使用して、機械式ロボットアームよりも軽量で柔軟性のあるロボットアームを製作できるが、破損したりバラバラになったりすることなく運ぶことができる重量はそれほど多くない。また、元の状態に戻る形状記憶ポリマーは、物体を動かしたり持ち上げたりするほどの力を発揮しない。

より強力な形状記憶ポリマーを作ることは可能ですが、トレードオフがあります。それは、ほとんどのロボットには短すぎる長さでしか動作できないことです。ティラノサウルス・レックスの小さな腕のハイテク版を想像してみてください。

スタンフォード大学の研究グループは、この難問に対して何かできることはないかと考えました。論文のもう一人の筆頭著者であるスタンフォード大学の大学院生クリストファー・クーパー氏などの化学者と協力し、PPGと呼ばれる既存のポリマー（現在は皮革の仕上げやペイントボールの製造に使用されています）の原子構造を変更して、原子同士の結合を強め、まったく新しい分子を作り上げました。

「それはありふれた有機化学です」とニカザド氏は言う。

実験してみると、これまでの形状記憶ポリマーの 6 倍のエネルギーを蓄えられる新しい素材ができたことがわかった。この素材で作られたプラスチック製の筋肉は、自重の 5,000 倍の重さの物を持ち上げることができる。しかも、それほど高価でもない。原材料のコストは 1 ポンドあたり約 11 ドルだ。

「これらの研究者が成し遂げたことは、トレードオフを克服することだ」とジェームズ氏は言う。

研究者たちは、この素材をさらに研究していきたいと考えている。たとえば、このポリマーの形状記憶効果は一方向にしか働かない。この点は改善できると考えている。「たとえば、熱を加えると伸び、冷めると縮むものを作ることができます」とニクザドは言う。このプロセスは、何度熱したり冷やしたりしても繰り返される。

確かに、これによって、より強力で軽量なロボットが作れるようになるだろう。さらに、ジェームズ氏によると、形状記憶ポリマーがすでに幅広い用途に使用されていることから、スタンフォード大学の研究グループの新しい材料は、ロボット以外にもさまざまな用途に使用できる可能性があるという。