マサチューセッツ工科大学（MIT）が、物体の形状を簡単に変えることができる革新的なシステムを開発しました。この「二分岐回路」（bifur-circuits）と呼ばれる技術は、3Dプリントされたモジュール式超材料ブロックを利用しており、どのように曲げたり、ねじったり、再構成したりしても、持続的な導電性を維持します。従来の超材料は通常、いくつかの固定された形状しか維持できませんが、MITの新しいモジュールシステムは、電力や信号を失うことなく、単一の物体が数十種類の安定した構成に迅速に切り替えることを可能にします。この技術は10,000回以上の圧縮テストを経て、導電性の損失は見られず、ゲームコントローラーなどのインタラクティブな製品に成功裏に応用されています。
その潜在的な用途には、インタラクティブなリハビリテーションツール、自適応型柔軟ロボットハンド、および災害後の環境変化に自動的に対応できる再構成可能な緊急避難所が含まれます。
「超材料は複雑な機械部品を製造しやすくし、繰り返しユニットを使用するだけで済みます。我々の研究はこの設計空間を拡張しました。もし機械超材料を構築ブロックと見なすなら、我々の仕事はその幾何学的形状を利用して内在する知恵をハードウェアに埋め込む方法であり、これは多くの可能性を開くかもしれません。」と、機械工学の大学院生で主要著者のMarwa AlAlawiは述べています。
この技術は、物理学における「機械的二分岐」（mechanical bifurcation）と呼ばれる特性に依存しており、これは構造の挙動が物理的な臨界点を超えた後に突然変化することを指します。機械的二分岐は構造の再構成可能性を大幅に拡張し、追加のユニットを1つ加えるだけで無限の新しい空間的組み合わせを生み出すことができます。重要なヒンジポイントに柔軟な導電材料を埋め込むことで、このプロセスは部品が回転する際に相互接続できるようにします。各動作は隣接するブロック間にユニークな回路を作成し、形状を変え、さらには自動的に自身の変化を追跡します。
統合された柔軟な導電材料により、これらのモジュールは各変形の際に持続的な無線接続を維持できます。この特性により、全体の構造が外部配線や重い機械センサーなしで正確な物理的形状を感知できるようになります。研究者たちは、動的で形状が変化する物体を使用して、これらの感応超材料の実際の潜在能力を示しました。たとえば、収納テーブルに変換できる椅子や、即時の構成をディスプレイに送信しながら折りたたむことができるものです。
「導電材料は我々が設計プロセスで克服しなければならない制約であり、それはブロック間の感応がどのように行われるかを決定します。」とAlAlawiは述べています。最上部の配置には、接続ユニット用の2種類の接続ブロックがあり、内部には導電材料が装備されています。
電流を可動式で曲げられるプラスチックに統合することは非常に難しいです。柔軟な導体は圧力の下でしばしば断裂しますが、MITのチームはカスタムソフトウェアと多材料3Dプリントを組み合わせることでこの問題を克服しました。これらのモジュールは、多材料3DプリンターとカスタムCADシミュレーションツールを使用して製造されます。二分岐回路の耐久性は10,000回の圧縮テストを通じて証明され、電気接続の損失はありません。電流はモジュール自体の幾何学的形状を通って流れます。
「二分岐回路は、統合機能を持つ機械的構築ブロックの開発に向けた一歩です。この研究を基にさらに発展させ、あらゆる形状や形式をサポートする構造を創造し、かつ構造が安定していて駆動可能であることは非常に興味深いでしょう。」とAlAlawiは指摘しています。この技術は多くの業界で広範な現実の応用を解き放ちます。例えば、パターンの変化に応じて接続ディスプレイを更新するインタラクティブなスマート家具、再構成可能なロボットハンド、そして周波数を調整するために動的に形状を変える固体アンテナなどがあります。