3Dプリントされたメタマテリアルロボットは、ユーザーがどのように操作するかを感知します

メタマテリアルは、ラテン語の語源である「meta-」が「超越」を意味し、人工的に設計された構造を持ち、天然素材にはない並外れた物理的特性（負の透磁率、負の誘電率、負の屈折率など）を示す複合材料の一種を指します。
△メタマテリアルのクローズアップ写真（写真提供：ティモシー・スリーズマン）
メタマテリアルは不可能な材料と呼ばれることもあります。理論上は、物体の周囲のエネルギーを曲げて見えなくしたり、伝送されたエネルギーを焦点を絞ったビームに集中させたり、カメレオンのように異なる周波数範囲にわたってエネルギーの吸収や伝送を再構成する能力を持つことができる。
△ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院の科学者チームは、可視光スペクトル全体（白色光を含む）を集光できる初の単一レンズを開発しました。このレンズは、光を同じ点に集光し、高解像度を実現します。従来のレンズでは、この効果は複数のレンズを追加することによってのみ実現できます。（写真提供：ジャレッド・シスラー/ハーバードSEAS）
2021年9月19日、Antarctic Bearは、MITの研究者が物体に力がどのように加えられるかを検出できる新しい3Dプリント方法を開発したことを知りました。構造物は単一の材料から作られているため、迅速にプロトタイプを作成できます。デザイナーはこの方法を使用して、ジョイスティック、スイッチ、ハンドヘルドコントローラーなどの「インタラクティブ入力デバイス」を一度に 3D プリントできます。
これを実現するために、研究者らは、セルの繰り返しグリッドに分割された材料であるメタマテリアルで作られた構造に電極を統合しました。また、ユーザーがこれらのインタラクティブなデバイスを構築できるように、編集ソフトウェアも作成しました。

「メタマテリアルはさまざまな機械的機能をサポートできます。しかし、メタマテリアルのドアノブを作成した場合、ドアノブが回転していることも知ることができますか？もしできるとしたら、何度回転しますか？特別な感知要件がある場合、私たちの研究により、ニーズを満たすメカニズムをカスタマイズできます」と、共同筆頭著者で元客員博士のジュン・ゴン氏は述べた。 MITの学生で、現在はAppleの研究科学者です。
ゴング氏は、MIT電気工学・コンピュータサイエンス学部（EECS）の大学院生オリビア・セオウ氏とMITメディアラボの研究助手セドリック・オネット氏という他の主執筆者とともにこの論文を共同執筆した。他の共著者には、MIT 大学院生のジャック・フォーマン氏と、EECS の准教授であり、コンピュータ科学および人工知能研究所 (CSAIL) のメンバーでもある上級著者のステファニー・ミューラー氏が含まれます。この研究は来月、計算機協会のユーザーインターフェースソフトウェアとテクノロジーに関するシンポジウムで発表される予定だ。
「このプロジェクトで最もエキサイティングなのは、物体の物質的構造に知覚を直接統合できる点です。これにより、物体があらゆる相互作用を感知できる新しいインテリジェント環境が生まれます」とミュラー氏は語った。「例えば、ユーザーが当社のスマート素材で作られた椅子やソファに座ると、ユーザーの体を検出し、それを使用して特定の機能（照明やテレビをオンにするなど）を照会したり、後で分析するためにデータを収集したり（体の姿勢を検出して修正するなど）することができます。」
埋め込み電極<br /> メタマテリアルはグリッドセルで構成されているため、ユーザーがメタマテリアルオブジェクトに力を加えると、柔軟な内部セルの一部が伸びたり圧縮されたりします。
研究者たちはこれを利用し、「導電性せん断セル」を作成した。これは、導電性フィラメントでできた 2 つの反対側の壁と、非導電性フィラメントでできた 2 つの壁を持つ柔軟なセルである。導電性の壁は電極として機能します。
ユーザーがジョイスティックを動かしたり、コントローラーのボタンを押したりしてメタマテリアル機構に力を加えると、導電性せん断セルが伸びたり圧縮されたりして、反対側の電極間の距離と重なり合う領域が変化します。静電容量センシングを使用すると、これらの変化を測定し、加えられた力の大きさと方向、回転と加速度を計算するために使用できます。

これを実証するために、研究者らは、ハンドルのベースに各方向（上下左右）に 4 つの導電性せん断セルを埋め込んだメタマテリアルジョイスティックを作成しました。ユーザーがジョイスティックを動かすと、反対側の導電性壁間の距離と面積が変化するため、加えられた各力の方向と大きさを感知できます。この場合、これらの値はパックマンゲームの入力に変換されます。
ジョイスティックのユーザーがどのように力を加えるかを理解することで、デザイナーは特定の方向の握力が限られている人向けに、独自のハンドルの形状とサイズのプロトタイプを作成できます。
研究者らは、ユーザーの手にフィットするように設計された音楽コントローラーも発明した。ユーザーが柔軟なボタンの 1 つを押すと、構造内の導電性せん断セルが圧縮され、感知された入力がデジタルシンセサイザーに送信されます。
このアプローチにより、デザイナーは、握れる音量コントロールや曲げられるスタイラスなど、ユニークで柔軟なコンピューター入力デバイスを迅速に作成し、調整できるようになります。
ソフトウェアソリューション<br /> 研究者らが開発した 3D エディタ MetaSense により、この迅速なプロトタイピングが可能になります。ユーザーは、センシングをメタマテリアル設計に手動で統合することも、ソフトウェアによって導電性せん断セルを最適な場所に自動的に配置することもできます。
「このツールは、さまざまな力が加えられたときに物体がどのように変形するかをシミュレートし、シミュレートされた変形を使用して、どのセルの距離が最も大きく変化するかを計算します。最も変化が大きいセルが、せん断セルを伝導するのに最適な候補です」とゴング氏は述べた。
研究者たちはメタ意味を単純かつ分かりやすくするために懸命に努力したが、そのような複雑な構造を印刷することは困難である。
「マルチマテリアル 3D プリンターでは、1 つのノズルが非導電性フィラメント用、もう 1 つが導電性フィラメント用になります。しかし、2 つの材料の特性が大きく異なる可能性があるため、これは非常に難しい作業です。理想的な速度、温度などを決定するには、多くのパラメータ調整が必要です。しかし、3D 印刷技術がさらに向上するにつれて、将来的にはユーザーにとってこれがより簡単になると考えています」と彼は述べています。
将来的には、研究者たちはMetaSenseのアルゴリズムを改良して、より複雑なシミュレーションを可能にしたいと考えている。彼らはまた、より伝導性の高いせん断セル機構を開発したいと考えています。ゴング氏は、数百または数千の導電性せん断セルを非常に大きな機械装置に埋め込むことで、ユーザーが物体とどのように相互作用するかを高解像度でリアルタイムに視覚化できるようになると述べた。

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