ハーバード大学の科学者が「インテリジェントな」液体を開発

科学者たちは、プログラム可能な応答を備えたメタ流体を開発しました。

ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院 (SEAS) の科学者たちは、調整可能なバネ性、光学特性、粘度、さらにはニュートン流体と非ニュートン流体の間で遷移する機能を備えたプログラム可能なメタ流体を開発しました。

この種としては初めてのメタ流体は、50 ～ 500 ミクロンの小さなエラストマー球の懸濁液を使用しており、圧力がかかると座屈して流体の特性を根本的に変化させます。 メタ流体は、油圧アクチュエータからロボットのプログラム、衝撃の強さに応じてエネルギーを消散できるインテリジェントなショックアブソーバー、透明から不透明に変化できる光学デバイスに至るまで、あらゆるものに使用できる可能性があります。

この研究は、 自然。

「私たちは、この新しいクラスの流体で何が可能になるか表面をなぞっただけです」と、SEASの材料科学および機械工学の研究員であり、論文の筆頭著者であるアデル・ジェロウリ氏は述べた。 「この 1 つのプラットフォームがあれば、非常に多くの異なる分野で非常に多くの異なることができるようになります。」

メタ流体 vs. 固体メタマテリアル

メタマテリアル (その特性が組成ではなく構造によって決定される人工的に作られた材料) は、長年にわたってさまざまな用途で広く使用されてきました。 しかし、フェデリコ・カパッソ氏、応用物理学のロバート・L・ウォレス教授、SEASの電気工学上級研究員ビントン・ヘイズ氏の研究室で先駆的に開発されたメタレンズなど、材料のほとんどは固体である。

メタ流体の下にハーバードのロゴが表示された調整可能な光学系。 クレジット: ハーバード大学 SEAS

「固体と違って

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]” tabindex=”0″ role=”link”>メタマテリアル「メタ流体は、流れて容器の形状に適応する独特の能力を持っています」と、SEAS応用力学教授であり論文の主著者であるカティア・ベルトルディ氏、ウィリアム・クアン・ダノフ氏とアミ・クアン・ダノフ氏夫妻は述べた。 「私たちの目標は、これらの優れた特性を備えているだけでなく、プログラム可能な粘度、圧縮率、および光学特性のプラットフォームを提供するメタ流体を作成することでした。」

研究チームは、SEAS のマリンクロット物理学および応用物理学のデビッド A. ワイツ教授の研究室で開発された拡張性の高い製造技術を使用して、空気を充填し、シリコン オイル中に浮遊させたこれらの高度に変形可能な球形のカプセルを数十万個製造しました。 。 液体内の圧力が増加すると、カプセルが崩壊し、レンズのような半球を形成します。 その圧力が取り除かれると、カプセルは弾けて球形に戻ります。

メタ流体の性質と応用

この遷移により、粘度や不透明度など、液体の特性の多くが変化します。 これらの特性は、液体中のカプセルの数、厚さ、サイズを変更することで調整できます。

研究者らは、メタ流体を油圧ロボットグリッパーにロードし、グリッパーにガラス瓶、卵、ブルーベリーをピックアップさせることで、液体のプログラム可能性を実証しました。 単純な空気または水を動力源とする従来の油圧システムでは、ロボットがグリップを調整して 3 つの物体すべてを潰さずに持ち上げることができるようにするには、何らかのセンシングまたは外部制御が必要です。

しかし、メタ流体の場合、センシングは必要ありません。 液体自体がさまざまな圧力に反応し、そのコンプライアンスを変化させてグリッパーの力を調整することで、追加のプログラミングを行うことなく、重いボトル、繊細な卵、小さなブルーベリーを持ち上げることができます。

「私たちは、この液体を使って単純なロボットに知性を与えることができることを示しました」とジェローリ氏は語った。

研究チームは、メタ流体を変更することで再プログラムできる流体論理ゲートも実証した。

光学特性と流体の状態

メタ流体は、圧力の変化にさらされると光学特性も変化します。

カプセルが丸いと、気泡が空気を含んだ水を白く見せるのと同じように、光を散乱させて液体を不透明にします。 しかし、圧力が加えられてカプセルが崩壊すると、カプセルはマイクロレンズのように機能し、光を集中させて液体を透明にします。 これらの光学特性は、圧力に基づいて色が変化する電子インクなど、さまざまな用途に使用できます。

研究者らはまた、カプセルが球形の場合、メタ流体はニュートン流体のように動作すること、つまりその粘度が温度に反応してのみ変化することを示しました。 ただし、カプセルが折りたたまれると、懸濁液は非ニュートン流体に変化します。これは、せん断力に応じて粘度が変化することを意味します。せん断力が大きくなるほど、懸濁液はより流動的になります。 これは、ニュートン状態と非ニュートン状態の間で遷移することが示された最初のメタ流体です。

次に研究者らは、メタ流体の音響特性と熱力学的特性を調査することを目指しています。

「これらのスケーラブルで生成が容易なメタ流体の応用空間は膨大です」とベルトルディ氏は述べています。

参考文献: 「プログラム可能なメタ流体のシェル座屈」、Adel Djellouli、Bert Van Raemdonck、Yang Wang、Yi Yang、Anthony Caillaud、David Weitz、Shmuel Rubinstein、Benjamin Gorissen、Katia Bertoldi 著、2024 年 4 月 3 日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

ハーバード大学技術開発局は、この研究に関連する知的財産を保護し、商業化の機会を模索しています。

この研究は、ハーバード大学材料研究科学工学センターの助成金番号 DMR-2011754 を通じて NSF によって部分的に支援されました。