目の不自由な人のためのiPadやKindleを想像してみよう。膨らませた点字が、ユーザーのタッチで形を変える。コーネル大学が率いる共同研究チームは、このような技術に不可欠な部品を開発しました。それは、燃焼によってシリコン膜の「ドット」を飛び出させる、高密度に配置されたアクチュエータの触覚アレイです。
チームの論文です。 “強力なソフトアクチュエータの高密度アレイのためのバルブレスマイクロリットル燃焼" が『Proceedings of the National Academy of Sciences』に掲載されました。筆頭著者は、博士課程の学生ロナルド・ハイサーです。
電子機器用のダイナミック点字ディスプレイを設計する際の大きなハードルのひとつは、各ドットに必要な力をどのように加えるかを考えることである。工学部機械・航空宇宙工学科の准教授で、この論文の筆頭著者であるRob Shepherd氏によると、これまでの試みでは、モーターや油圧、テザーポンプを使うのが一般的で、いずれも面倒で複雑、かつ高価なものばかりでした。
この論文の主執筆者である工学部機械・航空宇宙工学科のロブ・シェパード准教授は、「実物のように体感できる形で形を変えることができるものは、今のところ存在しません。小型のアクチュエーターと、サイズ、重量、コストとの間でトレードオフの関係にあるのです。とても難しいんです」とシェパード。「誰もが電気機械式に挑戦してきました。そこで私たちは、電気機械式でなく、燃焼式にしたらどうかと考えたのです。少量のガスで強力な出力が得られるのです」。
コーネル大学のチームは、テクニオン-イスラエル工科大学の研究者達と協力して、主に成形シリコンとマイクロ流体液体金属トレースで構成されたシステムを設計し、液体金属電極が、メタンと酸素を予め混合したマイクロスケール容積に点火するスパークを引き起こします。この燃料は、幅3mmのアクチュエーターにつながる一連の独立した流路を流れます。この急速な燃焼によって、それぞれの場所にある薄いシリコン膜が数ミリメートル膨らむ。このドットは、磁気ラッチシステムによって持続的に形成され、押し下げるだけでシステム全体がリセットされる。
電気機械式のバルブが不要なため、アクチュエーターをより密に配置することができ、その結果、小型で持ち運び可能なシステムが実現しました。また、流体エラストマーアクチュエーターは急速に冷却され、燃料もほとんど必要ないため、商用版でも安全に運用することができる。
また、この技術は伸縮性や適合性があるため、ソフトロボットや人工的な触覚を再現する装着型のバーチャルリアリティ装置など、さまざまな用途に組み込むことができるという。また、生体適合性のある部品は、医療患者の組織を操作したり、閉塞した通路を開いたりする手術器具にも使用できる可能性がある。
現在のシステムは、9つの流体エラストマーアクチュエーターで構成されていますが、研究者は、それをスケールアップして、最終的には完全な電子触覚ディスプレイを作りたいと考えています。
「過去30年以上、人々はアクチュエータを本当に密接に配列して詰め込もうとしてきました」とHeisserは言います。「触覚は、ある意味、視覚よりも身近なものです。この技術には大きな可能性があります。私たちの研究は、この技術についてもっといろいろな考え方があることを示していると思います。化学的アクチュエーションは、本当に無視できないものなのです。
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