3 人が明日の資料を引き受けます | 南寧ピーコックプライド株式会社

エンジニアの設計と構築の方法を変える可能性のある研究を行っている 3 人の MIT 研究者の研究室の内部を覗いてみましょう。 2 人は新しいマテリアルを発明しており、1 人はマテリアルの外観を更新して、マテリアルを置き換えるのではなく更新できるようにする方法を開発しています。エンジニアリングは決して同じではないかもしれません。

Ritu Raman が設計した筋肉細胞は光に反応して収縮し、環境に適応したり、衝突後に自己修復したりする生物学に基づいたロボットにつながる可能性があります。

リトゥ・ラマンさんは手袋をした手をエタノールでこすり、小型冷蔵庫ほどの大きさの保育器に手を伸ばしてシャーレのトレイを取り出した。皿には、3D プリントされた半透明の U 字型足場が含まれています。そして、これらのポリマー骨格の上で、筋肉細胞の小さなピンク色の帯が成長しています。

彼女は隣の部屋に向かいました。そこでは光ファイバーライトが皿の上に設置されており、安全メガネなしでは見ることができないほど明るい青色光のパルスが発せられています。ラマン氏は、この細胞はもともとマウスに由来する系統のもので、そのような光の下で収縮するように生物工学的に操作されていると説明する。パルス光はパーソナルトレーナーのように機能し、運動を促します。「彼らはあそこに住んでいて、ジムに行くためにここに来ます」と彼女は冗談を言う。

過去 20 年間、エンジニアは生物材料を使った実験を行ってきました。これは、バイオハイブリッド設計には、プラスチックやスチールで建築するよりも明確な利点があるためです。つまり、生きた細胞は成長し、変化し、適応することができるからです。英国人（1961 年）とアレックス（1949 年）のダルベロフダルベロフは、機械工学のキャリア開発助教授であり、細胞の細胞の感知、処理、反応能力を利用する適応性のある生物学的材料の作成に焦点を当てた研究室を運営しています。光によって引き起こされる活動が彼女のバイオエンジニアリング細胞にどのような影響を与えるかを測定することで、ラマンさんは、バイオハイブリッドロボットがいつか不慣れな地形にどのように適応できるようになるかについて、より良いアイデアを得ることができます。

「運動すると変わることがたくさんあります」と彼女は言います。たとえば、特定の種類の筋線維は小さな荷重しか運ぶことができませんが、長時間耐えることができます。他の人ははるかに高い力を扱うことができますが、すぐに疲れてしまいます。どの筋線維が強くなるかは、その筋肉が行う運動の種類によって異なります。ラマン氏は、砂糖とアミノ酸の「バッテリー」を動力源として遠隔操作するバイオハイブリッドロボットを構想しており、目前の仕事に適した筋肉を発達させ、さらには衝突や落下で損傷した部品を再生して自己修復するように設計できるかもしれない。

「温度やその他すべてが一定に保たれ、比較的管理された環境である部屋をロボットに移動させたい場合は、通常のロボットを低コストで構築するだけで済みます」と彼女は言います。「しかし、予測不可能でダイナミックな環境では、どれだけ強くする必要があるのか、どのような危険が存在するのかが分からないかもしれません。もし傷ついた場合、私はそれを癒しに行くことができないので、それができる必要があります」回復して適応するために。」

ラマンは、化学技術者と機械技術者の娘として、インド、ケニア、米国で育ちました。両親が現実世界の問題の解決に取り組んでいたとき、彼女はエンジニアリングがもたらす直接的な利益を目にしました。彼女は父親が田舎の村に通信塔を設置しているのを見たことを思い出します。コーネル大学で機械工学を専攻していた彼女は、偶然生体力学のコースを受講し、すぐに夢中になりました。「これは私が人生で実際に楽しく読んだ初めての教科書でした」と彼女は言います。

生物学がいつも楽しかったわけではありません。彼女は研究助手として、アルコールと運動がラットにどのような影響を与えるかを測定する研究室で働いていました。「私は地下室にいて、酔ったネズミがトレッドミルの上にいて、走ろうともしませんでした」と彼女は言います。「ひどかったよ！」しかし、徐々に、彼女は動物たちの体や行動が異常な環境に応じてどのように変化するかに魅了されるようになりました。私たちが構築できるものは、どれほどスマートで適応力のある生命システムに匹敵するものではありません。」

ラマンは液体細胞培養培地 (左) を生細胞の入ったフラスコに移します。彼女の人工筋肉細胞は、光のフラッシュによって収縮または「運動」を引き起こします。

ラマンは、イリノイ大学での博士課程の研究で、生命システムがどのように適応するかを研究し続け、そこで彼女は、筋肉がどのように成長し、自己治癒するかを調べるための大規模な国立科学財団助成金によって資金提供された研究に参加しました。通常、筋細胞は、細胞膜内の電位依存性イオンチャネルを介して神経から送られる電気信号に応答して収縮します。ラマンは、代わりに光に反応して収縮する筋肉細胞を開発したいと考えました。そこで彼女は、マサチューセッツ工科大学（MIT）の生物学・機械工学教授であるロジャー・カム氏（SM '73、博士'77）と協力し、遺伝子工学を利用して、他の研究者が緑藻細胞から開発した光依存性イオンチャネルをマウスの筋肉細胞に挿入した。彼女は、一定の間隔で細胞に光を当てて細胞の収縮と解放を繰り返すことで細胞を強化し、損傷から回復できることを示しました。

生物工学の先駆者であるロバート・ランガー氏とともにMITで博士研究員として研究し、彼女はこれを生きた動物で実証した。マウスの脚から筋肉の塊を除去した後、彼女は損傷部位に人工的に作られた光感受性筋肉を移植し、皮膚を通して光を当てることで筋肉を刺激して運動させた。「マウスは損傷から1週間後に完全に運動能力を回復しました」と彼女は言う。

2021 年の秋に MIT の教員に就任して以来、彼女は、特定のタスクに最適な筋肉を発達させるために必要な運動計画の最適化に取り組み始め、光の明るさやタイミングなどを操作してそのプロセスを制御する方法を見つけ出しました。パルス。彼女の研究室では、組織にニューロンを組み込んで生体内の神経細胞の制御方法を模倣するなど、筋細胞を制御する他の方法も実験中です。

最終的には、外科医が現在使用している金属製のツールよりも正確な、筋肉で作動する柔らかいロボットツールの開発に興味を持つことになるでしょう。生きた細胞で作られた大型ロボットは、困難な環境でも動作し、汚染源を除去するために水濾過システムの周りを這うようなことを行うことができる。「毒素を中和するために化学物質やタンパク質を生成する他の細胞をロボットが運ぶことができると想像してみてください」とラマン氏は言う。「つまり、それは動きだけではなく、他の方法で感知して反応することも重要なのです。」

「私たちは、エンジニアが通常使用する材料を置き換えようとしているわけではありません」と彼女は言います。むしろ、彼女は次世代に、生きた細胞を自分たちが利用できる別のものとして考えてもらいたいと考えています。

ステファニーミュラーは、デジタルアバターを変更するのと同じくらい簡単に靴の色を変更できる世界を想像しています。

新車を購入するときは、オンラインで異なる色を仮想的に「ペイント」して、どの色が好みかを確認することができます。しかし、実際にそれができて、気分に合わせて車の色を変えることができたらどうでしょうか? TIBCO キャリア開発担当 EECS 准教授で、機械工学分野と兼務している Stefanie Mueller 氏は、それを可能にするために取り組んでいます。「私たちの研究室の主なビジョンは、物理的なオブジェクトにデジタル機能を与えることです」とミューラー氏は言います。

MITのヒューマン・コンピュータ・インタラクション・エンジニアリング・グループを率いるミュラー氏は、フォトクロミック染料として知られる光活性化インクを使用し、わずか数分で物体の色を変える技術を開発した。スタタセンターにあるオフィスの黒い革張りのソファに座り、彼女はビデオを取り出してデモンストレーションを行った。 3D プリントされたカメレオンのモデルがガラスケースの中に置かれています。プロジェクターで光を当てると、白と茶色のゼブラ縞模様が色とりどりの市松模様に変わります。

「これは同じ物体です」と彼女は言う。「スマート素材をエアブラシでスプレーし、点灯したら光を当てて外観を再プログラムすることができます。」光が消えても色のパターンは消えません。最大 26 時間、または新しいものが投影されるまで保持されます。ミュラー氏が重点を置いているのは、新しい材料の作成（フォトクロミック染料は何十年も前から存在している）ではなく、既存の材料を使って目もくらむような新しい効果を作り出す新しいプロセスや技術を開発することである。

彼女がフォトクロームレオンと呼ぶこの技術は、イエロー、シアン、マゼンタのフォトクロミック染料を利用しています。「インクジェットプリンタの仕組みと似ています」とミューラー氏は言う。フォトクロミック色素は、オン (UV 光にさらされた場合) またはオフ (可視スペクトルの特定の波長の光にさらされた場合) に切り替えることができます。 3 つの染料を透明なラッカーに混ぜて、物体にエアブラシで吹き付けます。多色のデザインを作成するには、3 つの染料すべてが UV 光で活性化され、オブジェクトが黒くなります。次に、染色された表面に特定の波長の光を照射することにより、染料が選択的に不活性化されます。赤、緑、青の光の波長はそれぞれシアン、マゼンタ、イエローを不活性化するため、赤、緑、青の LED を備えた標準的なオフィスプロジェクターを使用して 3 つの色素すべてを制御できます。たとえば、赤色 LED はシアンを無効にし、マゼンタと黄色を残し、これらが組み合わされて赤色が生成されます。赤、緑、青の光のピクセルを物体に投影することで、ミュラーは非常に高い解像度で物体を「描く」ことができます。また、異なる波長に露光時間を調整することで、中間色を実現することができます。このプロセスは、スマートフォンのケース、靴、T シャツなど、さまざまなオブジェクトに使用できます。

現在、太陽光にさらされると色は数時間以内に退色しますが、ミューラー氏のチームは、フォトクロミック粒子をリフレッシュすることでデザインを保存できるテキスタイルを作成するために、フレキシブル基板に小さなLEDを埋め込むことに取り組んでいます。

ミュラー氏は、スタイルを変えるために新しいものを購入する必要がなくなる時代を思い描いています。「将来的には、靴会社が無料で靴を提供してくれるかもしれません」と彼女は言います。「しかし、あなたはアプリのサブスクリプションを取得し、靴に適用できるパターンをダウンロードすることになるでしょう」と彼女は言います。 (彼女の研究室は、デザインを更新したり更新したりするためにどこでも使用できるポータブルなリプログラマーを開発しています。) このテクノロジーは、人々がデジタルアバターを変更するのと同じくらい簡単にスタイルを変更できるようにするだけでなく、無駄も削減できる可能性があります。

「現在、企業はトレンドを更新してより多くのものを購入することで利益を上げています。なぜなら、同じ商品から再び利益を得ることができないからです」とミュラー氏は言う。しかし、このプロセスは彼らのインセンティブを反転させ、新しいものを製造しないほうが儲かるようになります。「彼らは、ロックを解除するためのパターンを販売するだけで新しいトレンドを作ることができます。物理的に何か新しいものを与える必要はありません。」

ドイツで育ち、ポツダムのハッソ・プラットナー研究所でコンピューターサイエンスを学んだミューラー氏は、安価な3Dプリンターが市場に出回った2010年代初頭に博士号取得に向けて取り組んでいた。彼女は、機械をハッキングしてさまざまな素材で印刷するなどのことを行うというアイデアに魅了されました。それが彼女に、素材自体をどのように変更して物理的なオブジェクトに新しい機能を与えることができるかを考えるようになりました。 2017 年に彼女が参加した MIT のコンピューターサイエンス & 人工知能研究所 (CSAIL) は、その学際的な性質を考慮すると最適でした。

ミュラーの「フォトクロームレオン」技術では、投影された光を使用して、フォトクロミック染料の混合物でコーティングされた物体の外観を制御できます。 (写真提供：研究者)

たとえば、彼女の色が変わるアイテムを作るには、「マテリアルを開発し、そのマテリアルをオブジェクトに配置し、各ピクセルに光を当てる時間を計算するアルゴリズムを作成する必要があります。したがって、ハードウェアのこれら 3 つのコンポーネントが必要です」、材料、アルゴリズムです」と彼女は言います。「どれか一つでも欠けてしまうと、うまくいきません。」

ミュラー氏と大学院生が試作中の別の技術では、光の偏光に応じて外観が変化する複屈折フィルムを使用する。「とても豪華に聞こえますが、基本的には食品用ラップのようなものです」と彼女は言います。このフィルムを特定のパターンで重ね、サングラスにあるものと同様の偏光フィルターを適用することで、彼女のグループはダイヤルを回すと外観が変化するオブジェクトを作成できます。たとえば、地図や解剖学的モデルは、教育目的でさまざまな色を帯びることがあります。

さらに他のプロジェクトには、表面にスプレーできるユーザーインターフェイスの開発が含まれます。導電性の金属インク、誘電体、蛍光体、銅、透明な導体を積層することで、壁に沿って手を動かすことで操作できる調光スイッチなどのセンサーやディスプレイが作成されます。「色や明るさを設定するためのスライダーとして使用できるかもしれません」とミューラー氏は言う。ソファのクッションに透明な導電性素材を適用すると、人がソファに座ったことを検知できます。あるプロジェクトでは、これにより近くのスクリーン上でフォトアルバムが開き、ソファのアームに吹き付けられた透明電極の上で手をスワイプするとアルバムがスクロールする。

ミュラー氏が追求することを選んだほとんどのプロジェクトと同様、これらはコンピューター上で実行できることを物理的な領域にもたらします。しかし、より一般的に言えば、彼女は常に「すごい」要素を探しています。「プロジェクトを見て、『すごい、それが世界をどう変えるのか本当にわかる』と思ったら、たとえ理解できなくても、それについてもっと知りたいと思うでしょう」と彼女は言います。「私たちは、背後に大きなビジョンがあり、まず人々を惹きつけて楽しんでもらえるようなアイデアを選択するよう努めています。その後、科学や技術の詳細についてすべて話すことができます。」

ナノスケールで正確に設計された材料は、有用な物体を作るために十分にスケールアップされれば、刺激的な応用が可能になる可能性があります。カルロス・ポルテラは、それらを大規模に製造するための新しい材料と技術を開発しています。

陶器のマグカップを床に落とすと、割れる可能性が高くなります。しかし、同じセラミック材料が非常に薄い場合、カルロス・ポルテラがビデオで実証しているように、何か奇妙なことが起こります。彼の画面には、相互接続されたセラミックの殻のネットワークでできた、一辺わずか 120 マイクロメートルの立方体が表示されます。卵の殻はそれに比べれば厚いものです。英国人のポルテラ (1961 年) とアレックス (1949 年) のダルベロフ機械工学キャリア開発助教授は、シェルの壁の 1 つを指さします。「これの厚さはわずか11ナノメートルです」と彼は言う。これは約 30 原子の幅に相当します。「（立方体を）高さの半分まで圧縮するつもりです」と彼は付け加えた。「セラミックに何を期待しますか？」

まともな人なら誰でも、それが百の破片に砕けることを予想するでしょう。しかし、荷重によって立方体が圧縮されると、スポンジのように座屈してしわが寄ってしまいます。荷重が取り除かれると、立方体は元の形状に戻ります。「これは基本的にコーヒーマグと同じ素材です」と、机の上にあるマグカップを指差しながら、ポーテラ氏は笑いながら言いました。「そして驚くべきことに、亀裂さえ見当たりません。」まったく新しい物質のようなものです。

人類の歴史を通じて、私たちが構築してきた材料（岩石、金属、セラミック、プラスチック、発泡体）の物理的特徴は比較的限られた範囲にあったとポーテラ氏は言います。ある望ましい物件を手に入れるために、建築業者は多くの場合、別の物件について妥協しなければなりません。たとえば、硬い材料はそれほど軽くありませんし、軽い材料はそれほど硬くありません。

しかし、過去 10 年間、エンジニアは、これまでに発見されたことのない望ましい特性を組み合わせた新しい材料を作成するために、ナノスケールでの設計を開始しました。建築材料またはメタマテリアルとして知られるこれらは、セラミックやポリマーなどのよく知られた特性を持つ材料の組み合わせです。しかし、それらの構築方法をナノスケールで操作すると、それらはよく知られた前駆体とはまったく異なる動作をするようになります。ポルテラ氏は、炭素構造は強度とエネルギー吸収性の両方を備え、金属材料は超軽量になるように設計できる可能性があると述べています。他の材料を、音波を集束させるレンズとして機能させることもできる。飛行機やロケットの最大の制限要因は、使用されている材料の重量であることを考えると、強度と軽量性の両方を兼ね備えた新しい材料があれば、一定量の燃料で飛行できる距離が劇的に伸びる可能性があります。

キリアン・コートを見下ろすポルテラの窓にある銀色の飛行機の模型は、彼の飛行機に対する初期の愛情を証明しています。コロンビアで育った彼はパイロットになりたいと思っていました。彼は南カリフォルニア大学で航空宇宙工学を学び、パイロットの免許を取得しましたが、留学生として大手航空機会社でのインターンシップを確保するのは困難でした。その時までに、彼はナノエンジニアリングの可能性に魅了され、カリフォルニア工科大学でこのテーマの博士課程に入学し、建築材料の先駆者であるジュリアグリア '97 に師事しました。グリア氏は、精密に調整された 3D プリンターを使用して、新しい特性を持つ材料となり得る複雑なナノスケール格子を作成する実験を行っていました。「これに対する彼女のエネルギーと情熱は伝わりました」とポーテラさんは言う。「『これをやりたい』って思いました」。

ただし、この技術は革新的であると同時に限界もあります。プリンターで厚さわずか数ミリメートルの立方体を印刷するには、数か月とは言わないまでも数週間かかるため、新しいオブジェクトを設計して作成するのは面倒です。「実際の応用では、手に持てるほどの大きさのナノマテリアルを作る必要があります」とポーテラ氏は言う。そこが彼の研究の出番です。彼は建築マテリアルを作成するための新しい技術を開発していますが、その中には 3D プリンターをまったく使用しないものもあります。

ある手法では、油と水を一緒に振るのと同じように、2 つのポリマーを混合してエマルションを形成することで、素材自体の自然な特性を利用しています。熱を加えて 2 つのポリマーを再び分離し始めると、顕微鏡スケールで絡み合ったパターンが自然に形成されます。その瞬間にそれらを固化し、次に水を使用してポリマーの 1 つを除去することにより、精密に印刷された格子と同じくらい複雑で、そして驚くべきことに同じくらい強い不規則なネットワークを作成することができます。「これは数か月ではなく、数時間で完了できます」と Portela 氏は言います。次に、原子層堆積法を使用して構造をセラミックの超薄膜でコーティングします。これには、2 つの異なる化学反応物の蒸気に交互にさらす必要があります。次に、残りのポリマーは通常、酸素プラズマにさらすことによってセラミックでコーティングされた構造から除去されます。これによりポリマーは分解され、強力な多孔質のセラミックシェルだけが残ります。ポーテラ氏は、この技術で作成されたセンチメートルスケールのサンプルは、これまでに作成された中で最大の自己組織化 3D ナノマテリアルの一部であると述べています。

強くて軽いカーボン素材を作成するために、Portela はポリマーネットワークを 3D プリントし、熱分解します。不活性雰囲気中で 1,500 °C 以上の温度で加熱され、炭素原子以外の実質的にすべてが焼き尽くされます。これにより、質量が約 90% 減少し、剛性が少なくとも 10 倍増加し、強力でありながら多孔質の新しい材料が作成されます。 Portela は、立方センチメートルスケールでマイクロアーキテクチャーを施した印刷および熱分解カーボン素材のサンプルも作成しました。そして彼はさらに大きな物体にも取り組んでいます。

Portela のグループは、2018 年に完成した光沢のある 100,000 平方フィートの施設である MIT.nano に設置されたナノスケール解像度の 3D プリンターを使用して、設計された材料の一部を構築しています。また、原子層堆積には MIT.nano の装置を利用し、その電子顕微鏡を使用しています。材料をテストするときにビデオをキャプチャします。一方、自己組織化材料は、31 号館にある Portela 氏自身の研究室で作られます。そこで彼と大学院生は、追加の機械的テストを行い、コンピューターシミュレーションを実行して、作成している材料の特性を予測します。彼らはまた、MIT 兵士ナノテクノロジー研究所のレーザー共焦点顕微鏡を衝撃試験に使用しています。ある実験では、彼のグループは炭素鋼の格子に超音速粒子を発射し、衝撃を止めるのにケブラーよりも70%効果的であることを示した。これにより、超軽量の新しい形状の防弾チョッキの可能性が開かれます。

ポルテラ氏はまた、オフィスの隣にある同僚のリトゥ・ラマン氏と、生物学的要素を統合した建築材料に関して共同研究を行っている。彼らは、いつか、柔軟性と強度の両方が必要な人間の皮膚や組織の物理的特性をより厳密に模倣できる材料を開発したいと考えています。一方、Portela は、航空機構造などの潜在的な用途を備えた軽量材料や、超効率的な濾過システムやより効果的な超音波装置の作成に使用できるメタマテリアルの作成の初期段階にあります。

彼のグループは、これまで誰も答えようとしていなかった問題に取り組んでいます。その理由は、「これを行うための適切な実験手段がなかったからです」と彼は言います。

この記事は、2023 年 5 月/6 月号の一部です。

「これらの生物が私たちよりも賢くなるのではないかということで、突然考え方を切り替えました。」

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これまで、コーディングを学ぶ取り組みは少数の人に機会を提供してきましたが、新しい取り組みは包括的なものを目指しています。

ヒントン氏は水曜日に EmTech Digital で講演します。

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