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2024-07-12 19:33:04
サウジアラビアのキング・アブドラ科学技術大学（KAUST）の科学者らは、化学蒸気にさらされるとビー玉大のボールを拾い上げたり落としたりできる小型の「クレーンゲーム」を開発した。
7月12日にジャーナルに掲載された調査結果 化学は、機械を動かすための部品であるソフトアクチュエーターが、追加の高価な材料を必要とせずに複数のタスクを実行できるようにする技術を示しています。既存のソフトアクチュエーターは、1種類の動きに制限された「一芸に秀でた馬」である可能性がありますが、この新しい複合フィルムは、さらされる蒸気に応じてさまざまな方法で変形します。
「分子の相互作用に応じて曲げたり伸ばしたりすることができ、このサイズ範囲では非常に高度な技術です」と、著者でKAUSTの化学教授であるニヴィーン・M・カシャブ氏は語る。「私たちの研究結果が、さまざまな環境で正確かつ適応性のある動きができる高度なソフトロボットシステムの開発に利用されることを期待しています」と彼女は述べ、このシステムが医療機器、産業オートメーション、温度、空気の質、湿度を測定するツールに利用できることを示唆している。
クレーンマシンの複数のタスク実行能力をテストするため、研究者らはまずクレーンマシンをアセトンにさらした。この蒸気の存在下で、この装置は赤い綿球をつかみ、箱の中に落とせるように伸びた。研究チームがこの装置をエタノール蒸気にさらすと、綿球をつかんで箱から取り出した。
金属や頑丈なプラスチックで作られる「ハードロボット」の剛性アクチュエータとは異なり、ソフトアクチュエータは柔軟性があり、剛性アクチュエータでは実行できないさまざまなタスクを実行できます。その結果、ソフトアクチュエータは、精密農業、深海探査、ウェアラブルデバイスなどの最先端のアプリケーションに最適なテクノロジーとなっています。
しかし、ソフトアクチュエーターには依然として限界があります。曲げたり、ねじったり、伸ばしたりすることはできますが、1 つのアクチュエーターで複数の動きができるわけではなく、より複雑なタスクを実行してさらに幅広い用途に役立てることはできません。研究者は最近、デバイスの動きの範囲を広げるアクチュエーターの設計を実験していますが、これらの戦略の多くは異なる材料を組み合わせることを伴うため、コストがかかり、製造が難しく、機械的な故障のリスクが高まります。
この課題を克服するために、カシャブ氏と同僚は、有機化合物尿素を含む分子ケージを含むポリマーマトリックスから作られたクレーンゲーム機を開発した。研究者がケージに尿素を選んだのは、この化合物が複数の水素結合を形成できるため、蒸気中の異なる分子にさらされると尿素分子が急速に再構成されるからである。その結果、材料の特性を正確に制御でき、カスタマイズが容易になった。
この研究結果は、この機械の材料は「蒸気刺激の種類と濃度を慎重に制御することで、複雑な動きを実現するように効果的にプログラムできる」ことを示唆していると、著者らは書いている。
「最も注目すべき発見は、ソフトアクチュエータが「湾曲、伸張、復元」を含む複雑な動作を実行するという、これまで報告されていなかったユニークな作動動作でした」とカシャブ氏は言う。
カシャブ氏と同僚たちは次に、クレーンゲームのエネルギー密度とエネルギー変換効率を研究し、その性能を向上させる予定だと彼女は言う。また、ソフトアクチュエーターを電荷を発生する材料と組み合わせたときに電気信号を生成する能力もテストし、最終的には柔軟なウェアラブル電子デバイスを開発する予定だとカシャブ氏は言う。
この研究はキング・アブドラ科学技術大学（KAUST）の支援を受けて行われました。
#化学クローマシンは蒸気にさらされると曲がったり伸びたりする