この人工筋肉は自ら物を動かします

May 08, 2023

マックス・G・レヴィ

スーパーの青果コーナーでは、キュウリはありふれたものです。 しかし、金物店の苗床コーナーにあるキュウリは驚異的だ、とシャズド・アジズさんは言う。

数年前、アジズさんはオーストラリアの金物チェーン店バニングス・ウェアハウスを闊歩し、特定のキュウリの苗木に一直線に並んだ。 前日、彼はその独特の巻きひげに気づいた。細い茎は植物からさまざまなサイズのとぐろを描いて突き出ており、キュウリの蔓はこれを使って表面に向かって伸び、より多くの日光にアクセスするために自らを引き上げる。 初めて訪れたとき、それらのらせん状のカールは長くて緩んでいました。 「翌日店に戻ったとき、彼らは契約していました」とクイーンズランド大学の材料工学博士研究員アジズは言います。

彼はスタッフを追跡し、なぜ工場がこれほど急速に変化したのか尋ねました。 乾燥しているのか、病気なのか、それとも瀕死の状態なのでしょうか？ いいえ。 この植物は、ヒマワリが太陽を追って回転するのと同じように、湿気と暑い日に単に反応しているだけです。これは向性と呼ばれる現象です。

エンジニアとして、アジズは環境に配慮した天然素材についての考えに目覚めました。 彼は、人工筋肉、つまり人間の筋肉と同じように刺激を動きに変換する装置のコンポーネントである新しいタイプのアクチュエーターを研究して博士号を取得しており、電気や加圧水によって駆動される動力付き衣服、多用途の義肢、可動装置の製造に使用できます。または空気。

これらの装置は多くの場合、特定の形状の間を移動する導電性ポリマーや「形状記憶合金」などの人工材料で構成されていますが、これらの概念を研究している研究者は、多用途のタコの触手、強力なゾウの鼻、素早いハチドリなど、自然からインスピレーションを得ています。 バニングス倉庫の形を変えるキュウリは、アジズにアイデアを与えました。誰かが植物のらせん状の形状だけでなく、その自律的な動作をコピーできるでしょうか?

アジズは荷物を引き連れて車で家に帰り、メンターにプロジェクトをどのように売り込むかをブレインストーミングしました。 次に、彼は学術論文に飛び込み、キュウリの蔓について学び、その行動をリバースエンジニアリングできるようにしました。 どのようにして収縮したり拡大したりするのでしょうか？ 彼らはどうやって重力に逆らって登るのでしょうか？ 彼は、らせん状の植物が蔓よりも深いレベルでコイルを形成していることを発見しました。 ミクロフィブリルと呼ばれる微細なセルロース繊維のストランドは植物細胞内でねじれ、さらに細胞束内でねじれ、さらに細胞束自体が巻きひげの中でねじれます。

彼は、植物のような動きを捉えようと、何層ものねじれを重ねたアクチュエーターを使ってその微細な構造を模倣することに着手しました。 彼が知っていたのは、まず糸という素材だけでした。 糸はすでに繊維がしっかりと撚られた束です。 植物のようなねじれが分子レベルで組み込まれており、糸が柔らかいのでより多次元に巻きやすくなります。

6 か月後、アジズは、ヒドロゲルと呼ばれる、水を吸収して保持する特殊なポリマーを注入した綿糸を巻き取ったプロトタイプを完成させました。 5月にAdvanced Materials誌に寄稿した論文で、同氏のチームはらせん状植物の伸縮するコイルを顕微鏡レベルまで模倣し、その糸のバネが濡れたり寒かったりすると自動的に収縮し、小さな物体を単独で動かすのに十分強力であることを示したと説明した。

「実際、植物の行動をよく模倣しているようです」と、ねじれた釣り糸や中空ポリマーが筋肉のように伸縮するプロジェクトに携わってきた北アリゾナ大学の機械工学者ハイディ・ファイゲンバウム氏は言うが、アジズの一部ではない。チーム。 彼女は、コイル状アクチュエータがもたらす柔軟性と強度により、この分野に恩恵をもたらすと信じています。

ジェレミー・ホワイト

エミリー・マリン

WIREDスタッフ

ウィル・ナイト

キュウリを模倣した実験は、アクチュエータにおける植物のような向性を初めて実証したもので、硬いものではなく、布、紙、繊維、ポリマーなどの流体材料で作られたアクチュエータを使用する「ソフト」ロボット工学への移行の一環である。多彩な動きを優先するために金属ジョイントを採用。 柔らかさは、手術中など、柔軟性と薄型設計が重要な状況でロボットを改善します。 また、自律型ソフト ロボットは、電源や人がいない場所でも動作する可能性があります。

「私たちの研究の成功は、人工材料が自然の生き物、この場合は植物のように振る舞うこともできることを証明することです」とアジズ氏は言う。 「つまり、私たちは人工素材にある程度の自然知能を与えたのです。」

もちろん糸は単独では動きません。 応答性を高める追加のマテリアルを注入する必要があります。

アジズは糸の撚りを 3 つの異なるソリューションに通しました。 1 つはアルギン酸ヒドロゲルで、デバイスに水を吸収させます。 もう一つのポリウレタン製ヒドロゲルは、脆さを軽減しました。 最後の層は熱応答性コーティングでした。 次に、その糸を金属棒に巻き付けて、キュウリの蔓のように巻き付けました。 最終製品は、長く濃いマゼンタ色のバネのように見えます。 その滑らかなコイルは、何層にもわたる繊維のねじれを覆い隠していますが、それらはすべてそこにあります。

彼のチームは一連の実験で糸の「筋肉」の能力をテストしました。 まず、コイルの下端にペーパークリップを取り付けました。 それから彼らはコイルに水を数回スプレーしました。 ヒドロゲルは膨潤し、水を吸収しました。 コイルが縮んでペーパークリップが上に引っ張られました。

しかし、なぜヒドロゲルの膨張によりコイルが拡張せずに収縮したのでしょうか? それはらせん状の微細構造によるものです。膨潤した水素がらせんを押して半径方向に拡張して幅の広いコイルになり、糸の筋肉が長さ方向に収縮して補償しました。

次に、研究者らはホットプレートで加熱された空気を当てました。 これは逆の効果をもたらしました。コイルが緩んでペーパークリップが下がりました。 それは、熱風がハイドロゲルから水分子を放出し、筋肉が膨張するのを助けるためです。 (冷たい空気はそれらの分子を再吸収させ、再び筋肉を収縮させます。)

次に彼らは尋ねました：これで窓を閉めることができるでしょうか？ （奇妙な挑戦のように思えるかもしれませんが、彼らはこの小さな筋肉が単独で有益な仕事を達成できることを証明するためのデモを望んでいました。電源も空気のチューブもワイヤーも必要ありません。）どれだけひねっても、フルサイズのガラス窓を動かすことができます。 そこでアジズのチームは独自の手のひらサイズのプラスチック版を作りました。 窓にはシャッターのように閉じることができる 2 つの窓ガラスがありました。 彼らは両方の窓ガラスに小さなマゼンタ色の筋肉を織り込みました。 水の噴霧により糸が収縮し、窓が完全に閉まるまでシャッターが閉じられました。

アジズ氏にとって、この微細構造の美しさは、この種の形状変化が可逆的であることです。 形状記憶素材などの他の人工筋肉素材は不可逆的に変形することが多く、繰り返しの使用が制限されます。 しかしこの場合、コイルは大気条件に応じて無限に収縮したり弛緩したりする可能性があります。 「雨が降ると窓が閉まってしまうことがある」と彼は言う。 「そして雨が降ると、また窓が開くでしょう。」

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これは現実の世界でどのように役立ちますか? アジズ氏は、環境や科学のデータを収集できる安価な装置を、条件が劣悪または変化しやすい遠隔地、つまり機械や電気機器のない砂漠や南極のような極地など、作動させることが有益な場所で収集できることを想像している。 」と彼は言います。 砂漠にある望遠鏡が、夜間に気温の大きな変化に応じて視線を変えることを考えてみましょう。 あるいは、離れた温室に自動化された窓があるかもしれません。 おそらく、測量ボットが南極でサンプルを採取するのに役立つかもしれない。 あるいは火星でも。

ファイゲンバウム氏は、加圧空気やバッテリーを使わずに動くアクチュエーターは便利かもしれないが、綿やヒドロゲルに頼って水を吸収したり熱を伝えたりするには時間がかかると述べている。 糸が完全に変形するまでには数分かかる場合があります。 「人間の筋肉というよりは、植物の蔓を反映しています。そしてその場合、作動ははるかに遅くなります」と彼女は言います。 対照的に、彼女の中空ポリマーでねじれた筋肉は、高圧の空気や水に一瞬で反応します。

現時点では、これらの植物のようなアクチュエータよりも「はるかに高速なパフォーマンス」が期待できる、と新しい論文には関与していないMITの材料科学者で神経エンジニアのポリーナ・アニケエバ氏も同意する。 「とはいえ、これは別の物質系です。」 2019年、アニキエワ氏のチームは、緊張下で螺旋を形成し、強力な義肢に使用できる「バイモルフ」ポリマー繊維で作られたアクチュエーターを開発した。 彼らは、これらを加熱すると 1 秒未満で収縮し、重量の 600 倍以上を持ち上げることができました。 6月、彼女のチームはらせん状の筋肉を小さな磁石駆動のボットに変えた。

しかし彼女は、アジズのようなハイドロゲルベースの筋肉が役立つケースを想像することができる。 「ヒドロゲルは生物医学の分野で本当に威力を発揮します」とアニキエバ氏は言う。 彼女は、それらが実際の人間の組織の修復を助けるために移植できる人工筋肉として機能するのではないかと考えています。 ハイドロゲルベースの筋肉は、特にエンジニアが単に水や熱に反応するのではなく、実際の神経や筋肉と同じように生物学的刺激に反応するアクチュエーターを実現できれば、体の仕組みに適合する可能性があります。 「ヒドロゲルはさまざまなイオン濃度を吸収できるため、さまざまなイオン濃度に応答する可能性があります」と彼女は言います。 「将来的には、小さな電気パルスに反応して変形する導電性ヒドロゲルを組み込むこともできるかもしれない」。

ファイゲンバウム氏はまた、ロボット工学におけるより創造的で自然な動きのために柔らかいロボットの筋肉が使用されることを構想しています。 肩が上腕にリンクされ、肘を介して下腕にリンクされるなど、古典的なロボット アームを想像してください。「すべてはこれらの硬いリンクとジョイントだけです」と彼女は言います。 しかし、ロボット工学者が外骨格や歩行支援装置などの移動ツールを再発明しようとすると、かさばるハードウェアが文字通り邪魔になります。 代わりに、より柔らかい素材により、より広い範囲の動きと柔軟性が提供され、硬い関節よりも多くの方向に、より多くの点で動くことができます。 ヘビの動きをドアのヒンジの動きと比較して想像してみてください。 「このソフトロボット技術の多くは、私たちを、リンケージにあまり似ていないロボット工学に導くでしょう」と彼女は言います。

アジズ氏は筋肉の負荷と反応性を改善したいと考えており、熱可塑性プラスチックと呼ばれるポリマーを使って同様のバージョンを作成する計画を立てている。 これらにより、アクチュエータが反応する温度をより詳細に制御できるようになります。 研究チームはまだ植物のようなアクチュエーターをロボットに組み込んでいないが、一度試してみると、どのような新しいドア (または窓) が開くかは分からない。