ロボティクス
「スティッキー・メタル」ロボティクス、エネルギー貯蔵、さらにはバイオテックソリューションへの広範な応用が期待できる
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ソフトロボティクス向けスティッキー・メタル
ロボティクスの開発が直面し続けている課題の一つは、現実世界に対応できるロボットやシステムの開発です。これには純粋な機械構造ではなく、柔軟性と「ソフト」な部品が必要になることが多いです。
さまざまなアプローチが実験されています。特に、以前に報告したものがあります：いわゆる「ソフトロボティクス」を実現する新しい磁性材料の作成で、詳細は当社の記事「Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine」で議論しました。
しかし、別のアプローチとして金属部品とソフト部品を結合する方法があります。これは歴史的に困難で、金属有機接合部が主な課題となってきました。
この問題は、米国メリーランド大学の研究者である徐文浩、ファラズ・A・バーニ、スリニヴァサ・R・ラガヴァンらによって解決された可能性があります。彼らは、ハイドロゲル、筋肉、植物などのほとんどの軟質材料と強固で耐久性のある接合部を作り出すことができる「スティッキー・メタル」の一種を開発しました。
スティッキー・メタルの仕組み
この発見は、研究者たちが「ハード・ソフト電気接着（EA）」と呼ぶ新しい原理に基づいています。
彼らはまだ完全に仕組みを解明しようとしていますが、現時点で分かっていることは以下の通りです。
EA特性を示す金属は限られている
すべての金属がEAに使用できるわけではありません。EAが可能な金属は正の還元電位を持ち、そうでない金属は負の還元電位を持ちます。
接着しない金属は、陽極で最初に酸化される金属です。この金属の酸化（電解）は他の競合プロセスを支配し、接着が起こらない理由を説明します。
逆に、接着する金属は比較的不活性で、ゲルネットワークのポリマー鎖が陽極で先に酸化されることを可能にします。
これにより、チタン、亜鉛、鉄、ニッケルなどの一般的な金属は除外され、EAがこれまで発見されなかった理由が説明できるかもしれません。しかし、錫、鉛、銅、さらにはグラファイト（金属ではなく純粋な炭素）などの一般的で安価な金属は含まれます。したがって、これは制限となる可能性がありますが、ロボット応用において致命的な障壁になるとは考えにくいです。
仕組みはどうなっているのか？
EAは金属に電流を流すことで生成されます。
理論では、軟質材料（ゲルやその他）の酸化が金属とポリマー鎖の間に化学結合を形成するとされています。この化学結合が金属と軟質材料の間に強固な接合部を作り、強い接着を実現します。
逆電流を流すことでこのプロセスは簡単に逆転させることができます。これにより還元的な化学条件が生まれ、化学結合が「溶解」して接着が解除されます。
この理論は、ハイドロゲル上の変化が金属との接触面でのみ起こることを示す実験によって裏付けられています。
また、化学結合の正確な性質や特性は、金属と軟質材料それぞれの化学組成に応じて変化するようです。
スティッキー・メタルは何に接着できるか？
公開された科学論文は主にさまざまなタイプのハイドロゲルへの接着に焦点を当てており、これらは改変や実験に適した材料とされています。
しかし、この原理は動物の筋肉やトマトさえも含む多くの他の材料にも適用可能です。総じて、軟質材料の唯一の要件はイオン導体であることです。これはほぼすべての生体組織に当てはまります。
同様に印象的なのは、EAは水中でも発生できることで、接着が非常に困難な環境です。
スティッキー・メタルの可能な応用例
ロボティクスにおける把持
EAの最初で最もすぐに実現できる可能性が高い応用は、ロボット用のより優れたグリッパーの開発です。物体を落としたり潰したりせずに正しく把持することは、ロボットにとって長年の課題でした。
EAはロボットの指が指や手、関節、その他の複雑で特定の形状を持つ必要はありません。したがって、現在使用されている方法に代わる、より安価で効率的かつ安全な代替手段への道が開かれます。
出典： Corteva
バッテリー
効率的で製造が容易なバッテリーは、電気自動車やエネルギーミックスにおける再生可能エネルギーの拡大に伴い高い需要があります。ほとんどのバッテリーは、二つの硬い金属（またはグラファイト）固体の陽極と陰極を電解質で結ぶ構造に依存しています。
多くの場合、電解質はイオン伝導性溶媒中のゲルです。
そこで、メリーランド大学の研究者はEAを利用して新しいタイプのバッテリーを作れるかどうかをテストしました。
彼らは電極に銅と亜鉛を使用し、0.9Vのバッテリーを作製することに成功しました。
これはバッテリー専門家以外による概念実証に過ぎませんが、同じ原理を用いて柔軟で充電可能なバッテリーが作れると考えています。また、新しいバッテリー製造方法への道を開く可能性があります。
ソフトロボティクス
前述の通り、ロボット工学者は長年、硬い部品と軟らかい部品を組み合わせたロボット、すなわち動物が硬い骨と柔らかい筋肉・組織を併せ持つようなロボットを夢見てきました。
この目的でEAがどのように利用できるかを示すために、簡易的なテストが行われました。そのために、硬い部品（グラファイト板）と軟らかい部品（ハイドロゲル）を組み合わせて「荷重を支えるハード・ソフト構造」を作成しました。
荷重を増やすと、構造は最初はそれを支え、次第に曲がり始めました。荷重が取り除かれると、ゲル柱は元の状態に戻り、上部のスラブが上昇しました。
硬い要素だけでは圧縮も変形もできませんが、軟らかい要素だけでは荷重で潰れてしまいます。しかし、両者を組み合わせることで、損傷なく柔軟に荷重を支えることができます。
圧縮し「押し返す」ことができるため、このようなシステムは、環境と繊細に相互作用できるアクチュエータやロボットの製作に利用できるでしょう。
水中接着剤
水分が豊富な環境や水中で何かを接着することは技術的な課題となります。接着剤の結合は周囲の水分子の影響を受けやすく、ほとんどの場合で必要な強度に達しません。
ここでは、接着は電流下でゲルと金属が接触したときにのみ作動する電気化学的現象です。EAは実際の化学結合に依存しているため、周囲の水の影響を受けません。
義肢・インプラント
スティッキー・メタルのもう一つの潜在的な利用は医療分野です。金属と人体との適合性は金属インプラント使用において常に課題となってきました。金属を軟組織に損傷なく接続することは困難なプロセスです。
もしインプラントや義肢（四肢置換など）が軟組織に接着できれば、使用上の機能性と実用性が大幅に向上します。また、患者の生活の質も大きく改善できるでしょう。
画像提供： RAEng_Publications from Pixabay
さらに、電流を流すことでプロセスが簡単に可逆的になるため、スティッキー・インプラントは交換や除去が格段に容易になると考えられます。
スティッキー・メタルの高度な応用
ハード・ソフト電気接着（EA）は、多くの可能な応用を持つ注目すべき発見です。
ほぼすべてのイオン性ゲルや有機組織（水と塩分を含むほぼすべてのもの）で機能するだけでなく、錫、銅、さらにはグラファイトといった安価な基礎金属でも使用可能です。これら低コスト材料のおかげで、あらゆる産業応用がコスト競争力を持つ可能性があります。
ロボティクス分野を根本的に変える可能性があり、まずは肉や果物、野菜などの食品に対するより優れたグリッパーから始まります。その後、硬い部品と軟らかい/弾性部品を組み合わせた真のソフトロボットの実現が可能になります。
また、身体への義肢やインプラントとの結合が格段に容易になり、真のサイバネティック技術に一歩近づくことになります。
最後に、ロボティクスや義肢を超えた応用も期待でき、例えば新しいタイプのバッテリーや水中・可逆的接着剤の創出が可能です。
