パーソナルコンピューターやフリップ式携帯電話から、ウェアラブル機器、スマートフォン、タブレットに至るまで、エレクトロニクスは数十年にわたり目覚ましい速さで発展してきた。しかし今、技術的なブレークスルーが停滞しつつある兆しが見られる。例えば、新しいiPhoneは前機種とそれほど変わらない。また、ノートパソコンもほぼすべてが見た目も使い心地も似通っている。
エンジニアにはイノベーションのための新たなインスピレーションが必要だ。信じられないかもしれないが、その一つの源泉は古代の芸術である。私の研究は、例えば、キリガミに着想を得ている。キリガミは、折り紙の親戚ともいえる、あまり知られていない芸術である。子どもの頃に、紙の雪の結晶を作るために折って切ったことがある人も多いかもしれない。これらの芸術から着想を得た素材は、スマート衣料の改良、曲げられるスマートフォンの開発、義肢の軽量化に活用できる。
紙を切る
キリガミという言葉は、紙を切る芸術を指す英語名である。考古学者によれば、キリガミの起源は 17世紀以前の日本にまでさかのぼるとされている。今もアジア諸国では人気のある民芸であり、旧正月、新生児の誕生、結婚など、重要な出来事を祝うためにキリガミが作られている。
一般的に、キリガミは折った紙を基材として始まり、それを切り、広げて平らにすることで最終的な作品が完成する。複雑な模様は、切られる素材の機械的な挙動を変えることができる数学や設計の原理に基づいた、美しい芸術作品を生み出す。例えば、特定の模様によって紙をより強くしたり、より伸縮しやすくしたりすることができる。
工学的な発想
キリガミの実践者が紙を折って切るように、キリガミの実践者エンジニアは素材を折って切り、その素材を電子機器に組み込むことができる。
最近の 省エネルギー型エレクトロニクスの革新により、携帯型電子機器が生まれている。また、高性能な電子ペーパー、人工の電子皮膚、そしてスマートファブリックなども登場している。しかし、こうした多くの製品は、少なくとも部分的には、従来型のプリント基板に依存している。プリント基板は一般的にシリコンや金属で作られている。これらは硬く脆いため、人体には適していない。人々が必要としているのは、曲線や曲がりに対応できる衣類、紙、そしてさまざまな物品である。
研究コミュニティや、テクノロジー企業およびアパレル企業は、電子機器をできる限り柔軟で曲げやすいものにすることに熱心に取り組んでいる。そのポイントは、こうしたガジェットの柔軟性が、電気を扱う能力を制限しないようにすることである。
エレクトロニクスへの応用
最近、私たちの研究グループは、バッファロー大学において、キリガミに着想を得た新規の伸縮性電子デバイスを製作した。自己組織化したポリマーとナノワイヤーで作られたこのデバイスの幅は1センチメートルである。それ自体では、わずかに1.06センチメートルまでしか伸びない。しかし、キリガミに着想を得た模様でレーザー切断を施すと、同じデバイスを最大20センチメートルまで伸ばすことができ、これは伸ばしていない状態より2,000パーセント大きい。素材が本来持つ弾力性も役立っているが、デバイスの変形の仕方を大きく左右しているのは、切れ込みの模様と向きである。
さらに、切断によってデバイスの導電性は3,000倍になった。これは、電子機器がより高速に動作したり、充電にかかる時間を短縮したりできることを意味する。
キリガミに着想を得た その他の エレクトロニクス 研究者は多く存在する。私たちの研究グループや他の研究者がこうした素材を改良していくにつれ、やがては一時的なタトゥーのような電子皮膚に組み込まれ、義肢やロボットの感触を向上させることができるようになるだろう。病院でも、電子皮膚パッチで患者のバイタルサインを無線でモニタリングすることが可能になり、絡まったり、ベッドで横になっている間の睡眠を妨げたりすることがある、厄介な配線を置き換えることができる。
伸縮性エレクトロニクスは、サムスンが計画している曲げられるスマートフォンの発売にも欠かせない。また、スマート衣料の中核となる可能性もある。アナリストの予測では、この分野は2024年までに40億米ドル規模に達する可能性がある。数百年前の芸術的な革新のおかげで、衣類や包帯は、将来的にはアスリートのパフォーマンス最大化、慢性疾患を抱える人々の健康状態のモニタリング、そして兵士や救急隊員に自身や世話をしている人々に関する重要な情報を提供する助けとなるかもしれない。
