ナマコにヒントを得た液体ロボットが現実に

制作：中国科学普及協会

著者: Keke (マテリアル デザイナー)

プロデューサー: 中国科学博覧会

映画『ターミネーター2』公開後、ナンバーワンの悪役、液体金属ロボットT1000は世界に非常に深い印象を残しました。映画の中で、T1000は鋼鉄の骨を持っているだけでなく、体の形を自由に変えることもできます。液体のプールに変化し、その後再び凝縮して元の形に戻ることもあります。

今日、このかつての荒唐無稽な空想は徐々に現実になりつつあります。 1月25日、中山大学、浙江大学、米国のカーネギーメロン大学の研究チームが最新の研究結果を発表した。彼らは、磁気活性相変化材料（MPTM）と呼ばれる材料を使用して、固体と液体の状態を切り替えることができ、ある程度は磁気によって制御できるロボットのプロトタイプを製作しました。

公開されたアニメーションでは、研究チームは檻を越えるという『ターミネーター2』の有名なシーンに敬意を表し、同時にMPTM素材の魔法のような特性を人々に披露した。何が起こっているのか見に来てください。

ターミネーター2のポスター

画像出典: Wikipedia

材料が「硬さと柔軟性」という特性を持つことはなぜ難しいのか

常識的に考えて、剛性と自由な変形能力は同時に共存できません。確かに、既存の材料では、両方を実現するのは困難です。たとえば、金属などの硬そうに見える材料は、融点が非常に高いことがよくあります。高温で溶解して自由に流れる液体にすることはできますが、一方で、加熱と溶解には相当のエネルギーと時間が必要になります。一方、高温の溶融金属は特殊な耐熱るつぼの中にしか留まることができません。金属鋳造以外には、他の応用価値はありません。

つまり、従来の素材では、T1000 のような「硬さと柔軟性」を真に実現することは基本的に不可能なのです。

しかし、実は柔らかさを保ちつつ、ある程度の硬さを保った素材も存在します。例えば、近年非常に人気が高まっている素材であるD3Oは、粘土のように柔らかく、どんな形にも成形できるように見えますが、瞬間的な衝撃（ハンマーなど）を受けると非常に硬くなります。

D3O は実際にせん断増粘効果を利用します。一部の流体は、せん断力（ハンマーによる打撃など）を受けると、粘度が急激に増加します。粘土のように見えますが、強く叩くと、実際に大きな炭素繊維を叩いているような感覚になります。

D3O製の保護手袋

著者: HecltoTrmel2020

画像出典: Wikipedia

自然界には、一般的な海洋生物であるナマコのように、同様の特徴を持つ種が数多く存在します。体は柔らかいが、実は体の硬さを一定の範囲内で調節できる。その原理は、体を構成する繊維間マトリックスの硬度を変化させることです。これにより、もともと柔らかい体に一定の耐荷重能力を持たせ、さまざまな環境要因が体に害を及ぼすのを防ぎます。

柔らかい体を持つナマコ

著者: フランソワ・ミショノー 画像出典: Wikipedia

これまでのこの種の材料（もちろんナマコの体構造も含む）は、アルミニウム合金や鋼鉄などの構造材料のように硬い状態で形状を維持できず、一般的な構造材料が耐えられる引張、せん断、ねじりなどのさまざまな機械的負荷に耐えられないという致命的な問題を抱えていました。

しかし、この研究を完成したチームは、硬い状態と柔軟な状態を簡単に切り替えることができ、硬い状態でも金属のような優れた機械的強度を持つことができる材料を作り出しました。これはMPTMです。 MPTM の発明には、ナマコから得たインスピレーションが重要な役割を果たしたと報告されています。

MPTM の剛性-柔軟性変換メカニズム。画像出典: 参考文献 1

MPTM牛はどこにありますか?

MPTM は金属ガリウムと磁性粒子からなる複合材料です。ガリウムは29.8℃で溶ける低融点金属なので、常温（25℃）では金属ですが、少し温度が上がると（例えば人の手のひらの温度）液体になります。

この特殊な特性に基づいて、研究者たちは MPTM 内の磁性粒子に対する交流磁場の発熱効果を巧みに利用しました。磁場を制御するだけで、MPTM 材料の温度をガリウムの融点以上に上げ、液体に変えることができます。その後、自然に冷却されると、MPTM は金属のような特性を持つ固体に変わります。

2つの状態におけるMPTMの模式図 画像出典: 参考文献1

固体 MPTM はガリウム金属と同様の機械的特性を持ち、最大 21 MPa の機械的強度を備え、自重の 30 倍の重さの物体にも耐えることができます。一般構造材料に比べるとまだ多少脆い部分もありますが、一般固体材料としては十分実用可能です。最も驚くべきことは、磁性粒子の存在により、MPTM は液体でも固体でも磁場によって制御でき、磁場を使用して移動できることです。

デモ映像では、檻の中に閉じ込められたMPTMの男性が液状化現象を起こし、檻から「脱出」し、その後元の姿に戻り、その場で「突然飛び上がった」という。それは単にT1000そのものでした。しかし、ケージの下には実際に小さな男の形をした型があることを指摘しておかなければなりません。液化した MPTM は鋳型に入れられ、冷却後に小さな男の形に再鋳造されます。それでも、MPTM は前例のない高みに到達しました。

GIF 1 小さなロボットの液状化された「脱獄」プロセス 画像ソース: 参照 1

GIF 2 ロボットは冷却後に元の形状に戻ります。ケージの下のカビに注意してください。画像出典: 参考文献 1

研究チームはまた、MPTMを固体の状態で体内に取り込み、磁気の作用で液化し、誤って飲み込んだ異物を包み込み、その後磁場を通じて固化を制御し、MPTMが異物を運び出すように誘導するなど、一連の潜在的な応用シナリオも提示した。また、限られたスペースで回路や部品を組み立てたり、ネジ穴に流し込んで物を固定するなどのデモンストレーションもいくつか見られ、印象的でした。

画像3：MPTMが体内の異物を除去するデモンストレーションビデオ。画像出典: 参考文献 1

画像4: MPTMロボットが回路に正常に接続されました。画像出典: 参考文献 1

中国と米国の科学者が提案したMPTM材料は、変形、回復、制御性など、さまざまな面で液体ロボット研究の分野で新たな進歩を達成しました。精密な制御という点では、まだ実用レベルには達しておらず、液状化前の状態に完全に復元するには、少しの「工夫」が必要です。しかし、SF映画の大胆な想像力が現実のものとなるのを見るのは、私たちにとっても興奮する価値がある。あなたも楽しみにしていますか？

編集者：孫晨宇

参考文献:

1.磁性液体-固体相転移物質
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00693-2

2. ロボット液化脱獄：中国のチームがナマコにインスピレーションを得てターミネーターのファンタジーを実現
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21690166