スイスの技術者らは、データを材料に直接書き込む方法を開発したと発表している。このプロセスにより、材料の物理的特性も同時に変化するという。
今週ネイチャー誌に掲載されたこの研究は、運動靴から耐震建築物まで工学的応用が可能な、プログラム可能な特性を持つ材料の開発につながる可能性がある。
スイス連邦工科大学ローザンヌ校のマーク・パウリー氏、ペドロ・M・レイス氏、ティアン・チェン氏を含むチームが、データを保存できるメタマテリアルを開発した。
メタマテリアルは人工的に作られたものであり、自然界には存在しません。多くの場合、メタマテリアルは設計段階から特性を備えており、サブコンポーネントから構成されています。問題は、製造後にメタマテリアルの特性が固定されてしまうことです。
チェン氏らの構想は、データを保存し、特定の特性を発揮するようにプログラムできるメタマテリアルを開発することでした。また、この材料からデータを読み取ってその特性を理解することも可能です。
研究チームは、直径3cmの立方体セルからなる概念実証装置を構築しました。各セルには、あらかじめ曲げられた柔軟な梁、磁性キャップ、ストッパーが含まれています。磁場の刺激によってキャップが上下に動き、梁のそれ以上の動きを阻止したり、より柔軟にしたりすることができます（図参照）。研究者たちはこれらのセルを「メカニカルビット」、または「mビット」と名付けました。彼らはこれらのセルを6×6の配列に配置することで、コンピューターのハードドライブにデータを書き込むのと同様のプロセスで36ビットのデータを保存できました。
上の図はコンセプトの詳細を示しています（クリックして拡大）
しかし、データはプログラムで読み出すために保存されたわけではありません。実際には、物質の物理的特性を変化させます。圧縮されていない状態の細胞は、圧縮された状態よりも硬くなります。研究者たちはまた、電磁石を用いて物質の状態を読み取ることができることを実証しました。彼らはアレイに縞模様、チェック模様、そして（エンジニアである彼らは）スマイリーフェイスを書き込み、そのパターンを遠隔から読み取ることができることを示しました。
チェン氏はThe Register紙に次のように語った。「私たちの目的は、データを保存するためだけにデータを保存することではありませんでした。データ保存デバイスは既に存在します。私たちが望んだのは、挙動をデータとして保存することでした。この材料がどのように挙動すべきかをデータとして保存しているのです。0と1のバイナリ文字列を保存するのではなく、ヤング率（弾性率）、剛性、強度、そしてエネルギー吸収特性を保存するのです。」
メタマテリアルは既にナイキのランニングシューズ[PDF]に採用されており、足が地面に着地する際のエネルギーを吸収するのに役立ちます。チェン氏は、このような素材はランニングの地形に適応するようにプログラムできる可能性があると述べています。
その他の応用としては、地震の特性に応じて建物の柔軟性やエネルギー吸収を即座に変化させることで、建物の地震耐性を高めることが挙げられます。
「特定のシナリオに合わせてこの素材をリアルタイムで調整することは有用だと思う」とチェン氏は語った。
しかし、この分野の研究者はいくつかの制約を克服する必要があります。まず、スケールダウンです。この点については、シリコンの3Dプリント技術の進歩が役立つはずだとチェン氏は言います。
「量子スケールに入らない限り、実際には何も変えずにスケールを縮小できます。つまり、私たちの観点からすると、限界は製造にあるということです。」
もう一つの問題は、現在の平面構造ではなく、三次元で書き込みや読み取りが可能な材料を開発することです。
「これはデジタルストレージデバイスでもできないことです」とチェン氏は述べた。「私たちは、3Dグリッド内の1つのユニットを、隣接するユニットに影響を与えずにプログラムすることが可能かどうかを理論的に解明しようとしています。」
それでも、アムステルダム大学のソフトマター物理学助教授、コレンタン・クーレ氏によると、物質にその特性に影響を与えるデータを保存させる能力があることを実証するだけでも、非常に興味深い進歩だという。
「ハードドライブがコンピュータシステムに革命をもたらしたのと同じように、このようなデバイスは次世代のソフトロボットやエンジニアリング材料、あるいはデバイスの機械的特性を遠隔からプログラムできるあらゆるアプリケーションへの扉を開く可能性がある」と、同氏は付随する論評記事で述べた。
「遠隔プログラミング可能な物質のこの初期の例は、物質がデータを処理し、計算し、学習する道を開くものです。」®
