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自ら曲げたり、伸ばしたり、修復したりできる電子機器は、より頑丈なロボットからスマートな衣類に至るまで、幅広い用途で機能する可能性がある

形状を変える機械は長い間 SF の定番でしたが、それには十分な理由があります。 1991 年の映画『ターミネーター 2: ジャッジメント デイ』に登場する凶悪な殺人マシンの力を考えてみましょう。 液体金属の T-1000 が到着すると、ヒーローたちは 2 つの大きな問題があることにすぐに気づきました。1 つ目は、敵が変形して、人間のように見える付属物を致命的な刃に変えることができるということです。 第二に、機械に穴をあけても速度はほとんど低下しません。 それは自分自身を癒すことができます！

自己修復マシンはすでに私たちの中にあります。 もちろん、現実は T-1000 と完全に一致するわけではありませんが、科学者たちは、架空のマシンの 2 つの機能が密接に関連していることを発見しました。 スタンフォード大学の化学エンジニア、ジェナン・バオ氏は、「自己修復材料を生み出す基礎科学は、材料の形状変化を可能にする動作と同じである」と語る。 そしてここ数カ月、科学者たちは治癒や形状変化などの能力を備えた新しい種類の素材を開発した。 研究者らはこれらの物質を使用して、ロボット工学、生体電子インターフェース、ウェアラブルデバイス、高度なディスプレイなどに応用できる新しいタイプのエレクトロニクスを構築しました。 これらの機械は、シリコンや金属などの従来の材料で作られた機械よりも環境に優しい可能性もあります。

自己修復材料の科学の歴史は約 2 世紀前に遡りますが、本格的に普及したのは 1970 年代です。 そのとき、研究者たちはポリマー（鎖がリンクで構成されるように、繰り返し部分から構成される大きな分子）の自己修復の可能性を研究し始めました。 分子の主ポリマー鎖、つまり「骨格」の組成によって、分子の靭性や弾性などのさまざまな特性が決まります。 一部の治癒可能なポリマーは、壊れた結合を再編するために、特定の温度、光、または圧力への曝露などのトリガーを必要とします。 その他は自然に治癒します。 これらの「動的」ポリマーは、最も安定した分子の結合よりも弱い分子結合を使用します。 たとえば、多くの動的材料は、正に帯電した水素原子が他の負に帯電した原子を引き付ける水素結合によって結合されています。 「水素結合の良いところは、それが自発的に起こることです」とカーネギーメロン大学の機械工学者カーメル・マジディは言う。 「材料を溶かしたり加熱したりする必要はありません。 彼らは接触するだけで絆を形成するのです。」

弱い結合は、このような材料に興味深い特性を与えます。 「固体っぽいですね。 そして、それを非常に速く伸ばすと、固体のように壊れます。 しかし、それを握ると、液体のように滴ります」とバオ氏は言います。 「分子は所定の位置に固定されていないため、これらのポリマーネットワークは継続的に形成と解離を繰り返します。」 この乱交こそが自己修復を可能にするのです。 「素材にダメージを与えると、結合が切れてしまいます。 しかし、部品を組み合わせると、これらの水素結合が非常に容易に形成され、材料の機械的特性が回復します」とバオ氏は言います。

同じ原理が伸縮性エレクトロニクスの根底にあります。 「これらの動的な結合により、結合が壊れたり再形成したりする可能性があるため、材料を元のサイズの数百倍に伸ばすことができます」とバオ氏は言います。 強度の異なる複数種類の結合材を使用することで、しなやかさと強さを併せ持つ素材を実現します。

ただし、材料をエレクトロニクスに使用するには、他の特性も必要です。 まず、彼らは優れた指揮者である必要があります。 ただし、ほとんどのポリマーは絶縁体です。 解決策の 1 つは、伸縮性材料に導電性を持たせるために、ポリマーに金属粒子、ナノワイヤ、またはカーボン ナノチューブを添加することです。 バオ氏らは、こうしたアプローチを利用して、体にフィットし、圧力や緊張を感知し、心拍数を測定できる自己修復機能を持つ「電子スキン」を構築した。

別の解決策は液体金属です。 今年初めに発表された研究では、マジディらは銀フレークが点在するポリマーゲルに液体合金の微小液滴を導入した。 得られた材料は伸縮性があり、自己修復性があり、ソフトロボットのモーターに電力を供給するのに十分な導電性を備えていました。 「最終的な目標は、生体組織のすべての特性を網羅する電子システムとロボットシステムを構築することです。機能性だけでなく、回復力や自己治癒力も備えています。」とマジディ氏は言います。