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Jul 16, 2023

これらの形

Questa figura simile ai Lego è scappata di prigione grazie a nuovi strumenti. Stile Terminator 2.

このレゴのような置物は、ガリウムと磁性粒子の新しい複合材料のおかげで、刑務所から脱出したターミネーター 2 スタイルで、変化する磁場の存在下で液化し、永久磁石の誘導下で動きます。

Q. Wang et al/Matter 2023 (CC BY-SA)

マッケンジー・プリラマン著

2023 年 1 月 25 日午前 11 時 55 分

形状を変化させる液体金属ロボットは、もはや SF の世界に限定されるものではないかもしれません。

小型機械は固体から液体に切り替え、またその逆に切り替えることで狭いスペースに押し込み、回路基板のはんだ付けなどの作業を実行できると研究者が1月25日にMatter誌に報告した。

磁場によって遠隔から制御できるこの位相シフト特性は、金属ガリウムのおかげです。 研究者らは金属に磁性粒子を埋め込み、磁石で金属の動きを制御した。 この新素材は、科学者が狭い通路をすり抜けたり、外部から誘導したりできる、柔らかく柔軟なロボットを開発するのに役立つ可能性がある。

科学者たちは長年にわたって磁気制御のソフトロボットを開発してきました。 これらのボット用の既存の材料のほとんどは、伸縮性はあるが最も狭い空間を通過できない固体材料、または流体であるが重い物体を運ぶことができない磁性液体でできています (SN: 7/18/19)。

新しい研究では、研究者は自然からインスピレーションを得た後、両方のアプローチを組み合わせました (SN: 3/3/21)。 例えば、ナマコは「非常に急速かつ可逆的にその硬さを変化させることができる」とカー​​ネギーメロン大学（ピッツバーグ）の機械工学者カーメル・マジディ氏は言う。 「エンジニアとしての私たちにとっての課題は、ソフトマテリアルシステムでそれを模倣することです。」

そこでチームは、室温よりわずかに高い摂氏約 30 度で溶ける金属であるガリウムに注目しました。 研究者らは、金属の塊にヒーターを接続して状態を変化させるのではなく、急速に変化する磁場に金属の塊をさらして液化させます。 交流磁場はガリウム内で電気を発生させ、ガリウムを加熱して溶解させます。 この材料は室温まで放冷す​​ると再凝固します。

磁性粒子がガリウム全体に散在しているため、永久磁石がガリウムを引きずり込む可能性があります。 固体の場合、磁石は毎秒約 1.5 メートルの速度で物質を移動させることができます。 アップグレードされたガリウムは、その重量の約 10,000 倍を運ぶこともできます。

外部磁石は依然として液体の形状を操作し、液体を引き伸ばし、分割し、融合させることができます。 しかし、ガリウム内の粒子は自由に回転し、溶融の結果として磁極が揃っていない可能性があるため、流体の動きを制御することはさらに困難です。 粒子はさまざまな方向を向いているため、磁石に応じてさまざまな方向に移動します。

マジディ氏らは、さまざまなタスクを実行する小型マシンで戦略をテストした。 映画『ターミネーター 2』のそのままのデモンストレーションでは、おもちゃの人が鉄格子を溶かし、鉄格子のすぐ外側に置かれた型を使って元の形に再凝固することで独房から脱出しました。

より実用的な面では、ある機械は、器官から出る前に異物を包み込むようにわずかに溶かすことによって、モデルの人間の胃から小さなボールを取り出しました。 しかし、ガリウムは体温（約 37 ℃）で液体であるため、実際の人体内ではガリウム自体が粘液に変化します。生物医学用途では、さらにビスマスやスズなどの金属がガリウムに追加されます。材料の融点を上げるためだと著者らは言う。 別のデモンストレーションでは、材料が液化し、再硬化して回路基板をはんだ付けしました。

この位相シフト材料はこの分野における大きな一歩だが、その生物医学への応用については疑問が残っていると、この研究には関与していないノーステキサス大学デントンの生物医学技師アミール・ジャファリ氏は言う。 大きな課題の 1 つは、外部デバイスから発生する人体内の磁力を正確に制御することだと彼は言います。

「これは魅力的なツールです」とハーバード大学のロボット技術者ニコラス・ビラ氏は言うが、彼もこの研究には関与していない。 しかし、ソフトロボット工学を研究する科学者は常に新しい材料を作成している、と彼は付け加えた。

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「これから起こる真のイノベーションは、これらの異なる革新的な素材を組み合わせることにあります。」

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この記事のバージョンは、Science News の 2023 年 2 月 25 日号に掲載されます。

Q.王ら。 磁気活性液体固相遷移物質。 案件。 2023 年 1 月 25 日にオンラインで公開。doi: 10.1016/j.matt.2022.12.003

マッケンジー プリラマンは、サイエンス ニュースの 2023 年春のサイエンス ライティング インターンです。 彼女はバージニア大学で神経科学の学士号と生命倫理の副専攻を取得し、カリフォルニア大学サンタクルーズ校で科学コミュニケーションの修士号を取得しています。

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