かつてロボットは、工場での重量物の持ち上げや精密な細かい作業に限られていました。現在は、ボストン・ダイナミクスの俊敏な四足歩行ロボット「Spot」は、企業がリースして実社会の様々な作業を行えるようになっており、近年、人間と機械の交流がいかに一般的になったかを示す一例です。
そしてSpotは汎用性が高く頑丈ですが、社会が従来型ロボットとして想像するもの、すなわち金属と硬いプラスチックの組み合わせです。多くの研究者はだと確信しており、 ソフトロボットが可能な安全な物理的相互作用を人との間で行えるものであり、例えば物をつかんで移動させることで家庭内支援を行うなど――硬いロボットに加わり、未来を形づくっていくでしょう。
ソフトロボティクスやウェアラブルコンピュータは、いずれも人と安全に関わることのできる技術ですが、多様な機能を発揮する柔らかく伸縮性のある新しい種類の材料を必要とするでしょう。私と同僚たちは、カーネギーメロン大学のSoft Machines Labで、こうした多機能材料の開発に取り組んでいます。共同研究者と ともに、私たちは近年、金属、柔らかいゴム、形状記憶材料の特性を独自に兼ね備えた材料を一つ開発しました。
私たちが呼んでいるこれらの柔らかい多機能材料は、電気を伝導し、損傷を検知し、自己修復します。また、触覚を感知し、人工筋肉のように電気刺激に応じて形状と硬さを変えることもできます。多くの点で、これは先駆的な研究者であるカウシク・バタチャリヤとリチャード・ジェイムズが述べた内容そのものです。「材料こそが機械である」。
材料を知能化する
材料こそが機械であるというこの考えは、身体性知能という概念で捉えることができます。この用語は通常、膝の腱のように相互に連結された材料のシステムを説明するために使われます。走るとき、腱は伸び縮みし、足が地面に着くたびに、神経制御を必要とせずに適応します。
単一の材料で身体性知能を考えることもできます。それは、センサーや処理装置などの組み込み電子デバイスを用いずに、周囲を感知し、処理し、応答できる材料です。
簡単な例はゴムです。分子レベルでは、ゴムは丸まって互いに連結された分子の鎖を含んでいます。ゴムを引き伸ばしたり圧縮したりすると、鎖は動いてほどけますが、その連結により、ゴムは永久変形することなく元の位置へ跳ね戻ります。ゴムが元の形状を「知っている」能力は、材料の構造の中に備わっています。
人と機械の相互作用に適した将来の工学材料には多機能性が必要となるため、研究者は、伸縮性を超えた新たなレベルの身体性知能を、ゴムのような材料に組み込もうとしてきました。最近、同僚が自己修復回路を作製し、ゴムに埋め込みました。
彼らはまず、電気絶縁性の「皮膜」で包まれたマイクロスケールの液体金属の液滴を、シリコーンゴム全体に分散させることから始めました。元の状態では、皮膜の薄い金属酸化物層が、金属の液滴が電気を伝導するのを妨げています。
しかし、金属を埋め込んだゴムに十分な力が加わると、液滴が破裂して合体し、電気を伝導する経路を形成します。そのゴムに印刷された電気回路はすべて、自己修復するようになります。別の研究では、この自己修復の仕組みを損傷の検知にも利用できることを示しました。損傷した部分には新たな電気回路が形成されます。電気信号が通れば、それが損傷を示します。
液体金属とゴムの組み合わせにより、材料は周囲を感知して処理する新たな経路、すなわち身体性知能の新たな形態を獲得しました。液体金属が再配列することで、電気的な応答によって損傷が発生したことを材料が「知る」ことができます。
形状記憶も、材料における身体性知能のもう一つの例です。これは、材料が規定された形状へ可逆的に変化できることを意味します。形状記憶材料は、柔らかいロボティクスにおける直線運動に適しており、上腕二頭筋のように前後に動くことができます。しかしそれらは、独特で複雑な形状変化の能力も備えています。
例えば、二つの材料科学者グループが最近、ある種の材料が 可逆的に変化し、平らなゴム状シートから顔の3次元地形図へと変化する様子を示しました。これは従来のモーターやギアでは困難な偉業ですが、材料の身体性知能のおかげで、この種の材料では簡単に実現できます。研究者らは、液晶エラストマーとして知られる種類の材料を使用しました。これは、熱、光、電気などの刺激を与えることで伸縮できるため、人工筋肉と表現されることもあります。
すべてを組み合わせる
液体金属複合材料と形状変化材料から着想を得て、私の同僚と私は最近、前例のない多機能性を備えた柔らかい複合材料を開発しました。
この材料は柔らかく伸縮性があり、熱と電気を伝導できます。通常のゴムとは異なり、能動的に形状を変えることができます。私たちの複合材料は電気を容易に伝導するため、形状変化は電気的に作動させることができます。柔らかく変形可能であるため、大きな損傷にも強い性質があります。電気を伝導できるため、この複合材料は従来の電子機器と接続でき、触れられたことに動的に応答することができます。
さらに、私たちの複合材料は自己修復でき、全く新しい方法で損傷を検知できます。損傷によって新たな電気伝導回路が生じ、材料内で形状変化を作動させます。突き刺されると、複合材料は自発的に収縮して応答します。
映画「ターミネーター2：審判の日」では、形状変化型アンドロイドのT-1000が液状化し、形状、色、質感を変え、機械的な損傷を受けず、超人的な力を発揮します。そのように複雑なロボットには、複雑な多機能材料が必要です。現在、これらの形状変化複合材料のように、周囲を感知し、処理し、応答できる材料が現実のものになり始めています。
しかしT-1000とは異なり、これらの新しい材料は悪のための力ではありません――義肢、コンパニオンロボット、遠隔探査技術、形状を変えられるアンテナ、そして技術者がまだ想像もしていない多くの用途など、柔らかい支援機器への道を切り開いているのです。
