科学：3Dプリントメタマテリアルマイクロロボット、鄭暁宇教授のチーム

2022年6月17日、Antarctic Bearは、サイエンス誌がカリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の研究チームによる論文を発表し、自由に歩き、障害物を回避し、さらにはジャンプもできる3Dプリントのメタマテリアルマイクロロボットを紹介したことを知りました。

今回プリントしたマイクロロボットはメタマテリアルを使用し、コインほどの大きさです。ロボットは電源を入れるだけで、複雑な伝動システムを必要とせず、設定されたプログラムに従って自力で動きます。

UCLA工学部助教授で本研究の主任研究者であるシャオユ・ジェン氏は、この新しいアプローチは、複雑な動き、複数の感知様式、プログラム可能な意思決定能力を緊密に統合しており、生物システム内の神経、骨、腱が連携して制御された動きを実行するのと似ていると述べた。

では、この 3D プリントされたマイクロロボットはどのようにして動きを実現するのでしょうか?

まず、メタマテリアルとは何かを理解する必要があります。

メタマテリアル（英語：Metamaterial）は、ラテン語の語源「meta-」が「超越、代替」などを意味します。自然界には存在しない特殊な特性を持つ人工材料のクラスを指します。光や電磁波によって通常の特性を変化させるなど、従来の素材では実現できない特殊な特性を持っています。メタマテリアルの構成に特別なことは何もありません。そのユニークな特性は、その正確な形状とサイズから生まれます。そこに含まれる微細構造は、作用する波の波長よりも小さいため、波に影響を与えることができます。メタマテリアルに関する最初の研究は、負の屈折率を持つメタマテリアルです。

メタマテリアルのユニークな特性により、高受信アンテナからレーダー反射器、さらには地震警報まで、幅広い用途への応用が期待されています。

メタマテリアルは、電子工学、凝縮物質物理学、マイクロ波、光エレクトロニクス、古典光学、材料科学、半導体科学、ナノテクノロジーを網羅する学際的なトピックです。

そして、3Dプリント技術を用いて特定の格子構造を製造し、異なる格子構造を組み合わせることで、特定の機能を実現することができます。例えば、論文で使用されている圧電メタマテリアルは、電界に応じて形状を変えたり移動したりできる複雑な格子材料であり、外力に基づいて電荷を生成することもできます。

△ 膨張、せん断、ねじれ、曲げひずみモードによるメタマテリアルの特性面、単位セル、モザイク法の運動の模式図

△マイクロロボットのユニットを構成する3Dプリント圧電メタマテリアル格子

△電池駆動ロボットの組み立てと制御回路の設計

複数のマイクロロボットユニットが特定の形状に組み合わされ、電源を入れると各ユニットの形状が変化し、ロボットが動くようになります。電源の電圧、周波数などのパラメータを変更することで、WeChat ロボットの動作モードも変更できます。

動画では、研究者らがマイクロロボットの移動モード、旋回モード、ジャンプモード、攻撃を受けた後の旋回、S字カーブの通過、砂利道での歩行などを実演した。

この 3D プリントされたメタマテリアルマイクロロボットはコインほどの大きさで、従来の動作システムを大幅に簡素化し、将来的に幅広い応用価値を持つ可能性があります。例えば、バイオメディカル分野では、体内に小型の「水泳ロボット」を製作することで、マクロスケールで危険な環境を探索することもできます。

オリジナルリンク:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0090