温度の変化で人間の顔の輪郭に変化する形状変化素材をMITの研究者が発明

元々は真っ平らな平面でありながら、周辺温度の変化によって徐々に人間の顔の輪郭と同じ形に変化していく、という特殊な格子構造をマサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者が発明しました。

Shape-shifting structured lattices via multimaterial 4D printing | PNAS
https://www.pnas.org/content/116/42/20856.short

MIT scientists made a shape-shifting material that morphs into a human face | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2020/01/just-change-the-temperature-to-make-this-material-transform-into-a-human-face/

3Dプリントの次に来る技術として期待されているのが、「4Dマテリアル(四次元素材)」です。4Dマテリアルは3Dプリントのようにコンピューターの制御のもと、素材を連続して層状に出力するわけですが、違いとしては「出力した素材が時間や温度と共に形状を変化させる」という特徴を持ちます。MITの研究者は、4Dマテリアルとしてこれまで作成されてきたものよりもはるかに複雑な「人間の顔の輪郭」を記憶したものを作成し、米国科学アカデミー紀要でその成果を発表しています。

MITの研究者であるWim van Rees氏は、薄い平らなシートを周辺温度の変化と共に「球体」「ドーム状」「人間の顔の輪郭」といった形状に変化させることに成功しています。

真っ平らなシートを人間の顔の輪郭に変化させるには、元の表面積以上に拡大・縮小できるような素材であることが求められるため、実現は非常に難しいものと考えられていました。しかし、Rees氏と研究チームはメッシュのような格子構造を用いるというアイデアを考案。この格子構造を「温度が上昇すると膨張するゴム状の素材」で作成することで、「平面から人間の顔の輪郭」のような大きな変化にも適応できるようになったとのこと。

さらに、研究チームは平面が人間の顔の輪郭状に変化するために必要な数値を、仮想マップ上にマッピング。そして、仮想マップ上の数値を平面上に変換するアルゴリズムを作成することで、メッシュ状のシートが部位ごとに異なる膨張が可能となるように設計。シミュレーション上で、温度の変化と共に平面のシート上に鼻や眼窩を再現することに成功しています。

そして、研究チームは考案したメッシュ構造を実際に3Dプリンターで出力し、オーブンで加熱して硬化させた後、塩水で室温まで冷却。このシートが実際に温度の変化と共に真っ平な平面から顔の輪郭上に形状を変化させることを確認しています。

研究チームは導電性液体金属を含む格子構造を作成し、周波数の変化で形状を変化させることが可能な形状変化シートの作成にも成功しています。

MITの研究チームが発明した形状変化シートの用途について、海外技術メディアのArs Technicaは「自動で展開可能なテントや、変形可能な望遠鏡のレンズ、人工組織の足場、柔らかい素材を使ったソフトロボット工学」などに応用できるとしています。研究に参加したRees氏も、「例えば、水中に入れると泳げるように形を変化させるロボットクラゲなどにこの材料を使用してほしいです。人工筋肉のようなアクチュエーターとしてこの素材を使用する場合、アクチュエーターの形状が変化するということになります。これはソフトロボット工学に全く新しい設計をもたらします」と語っています。