日常生活において、私たちは特定の機能を果たすための性質を持つ物体に囲まれている。硬さと柔らかさは、物体が特定の機能を果たすことを可能にする。これらの性質は一見相反するものであり、一方の性質を他方と交換することはできない。
例えば、枕は必要なクッション性と快適さを提供するために柔らかい。めん棒は生地の上を転がすことができるように硬く丸い。これらの物体は一度製造されると、その性質を変えることはできない。枕で生地を平らにすることはできないし、めん棒で頭と首をサポートすることもできない。
しかし、枕のように柔らかい物体が、めん棒のように硬い物体に変形できるとしたらどうだろうか。簡単なスイッチ一つで、その物体が硬質材料の性質と機能を獲得し、別のクリックで柔軟材料のそれらを獲得できるとしたら。
このようなことができる素材があれば、一つの物体が複数の機能を持つことが可能になる。この多機能性は、本質的に資源の使用量を大幅に削減することにつながる。これは、日常的な技術の持続可能な未来のためのパラダイムシフトを表すものである。
未来の素材
他の材料科学者、物理学者、エンジニアとともに、私の研究は再構成可能な機械的メタマテリアルと呼ばれるものを調査している。これらは、変形可能な内部構造を持つ、再プログラム可能な多目的メタマテリアルの一種である。
これらの材料は、柔軟性、硬さ、多安定性という3つの相反する（一見相反する）性質を持つ。これは、ユーザーが必要に応じて、その性質を硬いものや柔らかいもの、あるいは多安定なものに再プログラムできることを意味する。
このオールインワンクラスのメタマテリアルで作られた物体は、硬い構造体として外力の適用に抵抗するために硬くなったり、柔軟な機構として形状変形したり、あるいは多安定な材料としてエネルギーを捕捉し吸収したりすることができる。
製造後
構造体、機構、多安定物質のいずれかの特性を製造後に獲得できる材料は、この場合メタヒンジと呼ばれる構成要素の配置によってそれを実現する。
この再配置は、特定の圧力点に力を加えることで引き起こすことができる。再構成プロセス中、その端が接触し、最終的に融合して中央の空隙を閉じ、柔軟なヒンジを形成する。ある構成では、金属製ヒンジが形成されていないため構成要素は硬いが、別の構成では、メタヒンジの作動が中心軸の周りの局所的な回転を生み出し、柔軟にする。
この再構成可能な構成要素は、再プログラム可能な性質を持つ多機能構造を作るために使用できる。例えば、一次元のビームは、中央に加えられた荷重下で、硬い構造体または柔軟な構造体のいずれかとして振る舞うように作ることができる。
一方、構成要素を二次元に配列することで、3種類の再構成が可能になり、それぞれが巨視的固体の特定のクラス、つまり硬質、柔軟、またはその境界にある多安定のいずれかに対応する。三次元への拡張も可能である。
メタマテリアルの応用
性質の再プログラム性から恩恵を受ける多機能製品は、複数の分野にまたがる。物理的性質に加えて、他の幾何学的性質も再プログラムすることができる。例えば、ユニットセルの再構成性により、製品の全体的なサイズや形状を変更することができる。
多機能コートハンガーは、その一例である。特定のヒンジを選択的に作動させることで、コートハンガーは省スペースと運搬の容易さのために折りたたむことができ、また必要に応じて異なるサイズと形状に展開して、さまざまなサイズの衣類に対応することができる。これは前例のない水準の多機能性を提供し、持続可能な資源利用につながる。
このオールインワンクラスのメタマテリアルは、多目的製品の創造に役立つ。この多機能性は、資源の使用量を減らし、将来の技術への持続可能な道筋を開き、世界が設定した持続可能性目標の達成に貢献することを約束するものであり、それによってより環境に優しく、よりレジリエントな未来への道を切り開くのである。
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