形状がプログラム可能な超小型ロボット誕生!

プログラムで形が変えられる超小型ロボットが、ドイツのシュツットガルトにあるマックス・プランク知的システム研究所の研究者達によって開発されたそうです。トランスフォーマのように、ロボットが自分の意志で変形するわけではないみたいです。このロボットが医療に変革をもたらす可能性があるみたいな感じです。

ロボットが人類の未来を大きく変えることは確実ですが、超小型ロボットも医療分野等で幅広い活躍が期待されています。ロボットが人体内のウィルス、細菌、カビ、アレルギー物質などの他の微細異物、さらに癌細胞を破壊してくれる時代が来るのも、そんなに遠い未来の話ではないのかもしれません。

エラストマー

Shape-programmable miniscule robots

One day, microrobots may be able to swim through the human body like sperm or paramecia to carry out medical functions in specific locations. Researchers from the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart have developed functional elastomers, which can be activated by magnetic fields to imitate the swimming gaits of natural flagella, cilia and jellyfish. Using a specially developed computer algorithm, the researchers can now automatically generate the optimal magnetic conditions for each gait for the first time. According to the Stuttgart-based scientists, other applications for this shape-programming technology include numerous other micro-scale engineering applications, in which chemical and physical processes are implemented on a miniscule scale.

「いつか、微小ロボットが精虫やゾウリムシのように人体内を泳いで、特定の場所で医療機能を実行できるようになるかもしれません。研究者は、自然の鞭毛、繊毛、海月の遊泳歩容を模倣するために磁場によって活性化可能な機能的なエラストマーを作りました。特別に開発されたコンピューターアルゴリズムを使って、研究者は現在、初めて、各々の足のために自動的に最適な磁気的状態を発生させることが可能です。シュトットガルトの科学者によると、このシェイププログラミングのための他のアプリケーションは、化学・物理工程が極小規模で実施されている多数の微小規模工学用途を含みます。」

A sperm is equipped with a flagellum (tail-like extension), which can beat constantly back and forth to propel the sperm towards an egg. Researchers from the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart have now enabled an extremely thin strip of silicone rubber, which is just a few millimetres in length, to achieve a very similar swimming pattern. To do this, they embedded magnetizable neodymium-iron-boron particles into an elastic silicone rubber and subsequently magnetized this elastomer in a controlled way. Once the elastomer is placed under a specified magnetic field, the scientists were then able to control the elastomer’s shape, making it beat back and forth in a wave-like fashion.

「精虫は、鞭毛(尻尾のようなエクステ)を持っていて、それは前後に波打って精虫を卵の方へ推進させる事が出来ます。研究者は現在、非常に良く似た遊泳パターンを実現するために、長さにしてたった数ミリメートルしかない、シリコーンゴム製の極薄片を可能にしています。これを行うために、彼等は、磁化できるネオジムー鉄ーボロン粒子を弾性シリコーンゴムの内部に埋め込み、その後この高分子弾性体を制御された方法で磁化させました。そのエラストマーが規定の磁場の下に置かれると、科学者はその後エラストマーの形状を、波のように行ったり来たりさせて制御できるようになります。」

The scientists also succeeded in imitating the complex rowing movement of a cilium in a very similar way. Cilia are extremely fine hairs found on the surface of paramecia – they propel the organisms forward by using highly complex rowing strokes. The researchers also constructed an artificial jellyfish that has two soft tentacles, which have been programmed to carry out rowing-like swimming movements.

「また、科学者は、よく似たやり方で繊毛の複雑なローイング動作を模倣することに成功しました。繊毛は、ゾウリムシの表面に見られる極めて微細な毛です。それらはその微生物を高度に複雑なローイングストロークを使って前方に推進させています。研究者はまたボート漕ぎのような遊泳運動を実行するようにプログラムされている2本の柔軟な触手を持つ人工クラゲを作り出しました。」

rowing strokeでボート漕ぎ(舟漕ぎ)の一漕ぎみたいな意味合いです。ローイングマシーンのオール漕ぎ運動のことです。あるいは、池でボートをオールで漕いで恋人との、二人きりのひと時を楽しむみたいな、そのオールを漕ぐ動作のことです。

磁場でエラストマーを操作

The crucial factor behind all of these movement processes is that different areas of the elastomer can react differently to an external magnetic field: some zones have to be attracted and others repelled. Otherwise, the elastomer would not be able to reshape into a wave or begin to roll up at its ends.

「これらの運動工程の全ての背後にある決定的な要素は、エラストマーのさまざまな部位が外部磁場に対して別々に反応可能であるということです。つまり、いくつかのゾーンは引き寄せられ、他は反発させられます。さもなければ、エラストマーは波状に形を変えられないか、または、両端を巻き上げられません。」

In order to enable different magnetic response along the elastomer, the researchers leveraged two key ideas: “Firstly, we varied the density of the magnetizable particles along the elastomer and secondly we also controlled the magnetization orientation of these particles,”

「エラストマー沿いに違う磁気応答を可能にするために、研究者は2つの主要なアイデアを活用しました。”最初に、我々は、エラストマーに沿って磁化できる粒子の密度を変化させ、2番目に、これらの粒子の磁化廃校を制御しました。”」

The scientists controlled the local concentration of the particles during the fabrication process so that after the rubber has been exposed to a strong magnetic field, different parts of the rubber will possess different magnetic strength.

「科学者はゴムが強磁場にさらされた後で、ゴムの異なる部位が異なる磁気強度を持つように製造工程中にその粒子の局所濃度を制御しました。」

It is challenging to create different magnetization orientation for the particles as all the particles within a flat elastomer will have the same magnetization orientation after they have been exposed to a uniform magnetizing field. Hence, the scientists availed another trick: “By deforming the elastomer into a particular temporary shape during the magnetization process, we were able to control the final magnetization orientation of the individual magnetic particles very precisely,”

「平らなエラストマー内の全ての粒子は、均一磁場にさらされた後で同じ磁化配向を持つので粒子に対して異なる磁化配向を作り出すのは挑戦的です。従って、科学者は別のトリックを利用しました。”エラストマーを磁化過程の間、特定の一時的な形状に変形させることで、個々の磁粉の最終的な磁化配向をとても正確に制御できました。”」

Although all of the magnetization orientation of the magnetic particles initially assumed a parallel orientation, when the deformed rubber was returned to the original flat shape, these particles along the elastomer will have the necessary magnetization orientation for the subsequent form of movement.

「全ての磁粉の磁化配向は、当初は平行配向を想定しましたが、変形したゴムが元の扁平形に戻った時、エラストマー沿いのこれらの粒子は、次の移動形態のために必要な磁化配向を持てるようになります。」

最初は磁粉の磁化配向は一律に平行であると見なせて、クラゲを変形させると、繊毛運動をできるように異なる磁化配向を持つようになるみたいです。

From that point on, the researchers worked with a weaker magnetic field that no longer altered the magnetization orientation and magnetic strength of the elastomer. Working under such magnetic field, some areas along the elastomer were then attracted and others repelled – and the elastomer can change into its desired shapes accordingly. By varying the strength and orientation of the magnetic field over time, the researchers enabled the soft materials to complete the relevant complex movement cycles.

「それから研究者はエラストマーの磁化配向と磁気強度をもはや変えない微弱磁場で操作しました。そのような磁場下の操作で、エラストマーの一部の領域は引き付けられて他は引き離され、エラストマーは、結果として望ましい形状へ変化します。時間とともに磁場の強度と配向を変えることで、研究者は、適切・複雑な運動サイクルを完遂するための軟質材料を可能にしました。」

形状プログラマブル

To this end, he and his colleagues from the Institute’s Department of Physical Intelligence used a mathematical model to describe the physics of shape-programmable magnetic microrobots, and this model was also utilized to develop a corresponding computer algorithm – the very first of its kind. Scientists were previously reliant on intuition and could only estimate the required magnetic conditions.

「このために、彼と研究所の仲間は、形状プログラマブル磁気微小ロボットの物理学を説明するために数学モデルを使い、このモデルは対応する、今までに全く類のないコンピュータアルゴリズムの開発にも利用されました。科学者はかつては直感頼みで、必要な磁気的状態を見積もることぐらいしかできませんでした。」

According to the Stuttgart-based scientists, the ability to program soft materials like silicone rubber into functional devices could be of interest for a range of applications. For example, Metin Sitti can imagine that the above-described swimming movements will be used in medical applications one day. It may be possible to guide mini-taxis via magnetic field so that they can transport drugs or medical devices to desired locations in the body.

「シュトットガルトにいる科学者達によると、シリコーンゴムのような軟質材料を機能的なデバイスへプログラミングするための能力は、様々なアプリケーションにとって重要です。例えば、Metin Sittiは、上記の遊泳運動がいつか医療用途に利用されるだろうと思いを馳せています。微小ロボットが、体内の目的とする場所へ、医薬品または医療デバイスを運ぶことができるように、磁場を介してミニタクシーをガイドすることが可能になるかもしれません。」

This is not the only possible application the researchers can envisage in the area of microrobot locomotion. The fact that the shape of materials can be regulated and controlled via magnetic fields in mere fractions of a second could be of use in all applications that require the activation or mechanical steering of such devices in a small space. The technology could therefore also be used in micro-scale engineering applications, for instance to control the micro pumps required for lab-on-a-chip technologies. “We hope that the shape-programmable soft materials will inspire researchers working in many fields to make use of this technology in a wide range of applications,”

「これだけが、研究者が微小ロボットの移動運動の分野において、心に描くことが出来る、実行可能なアプリケーションではありません。材料の形状を、ほんの1秒にも満たない間に、磁場によって制御・操作できることは、そのようなデバイスの活性化、若しくは、機械的な操舵を狭い空間で必要とする全てのアプリケーションにおいて役立てることが可能になるかもしれません。その技術は、それ故に、例えば、ラボオンチップ技術に必須なマイクロポンプを制御するための微小規模の工学的用途での利用も可能になるかもしれません。”私達は、その形状プログラマブル軟質材料が、多くの分野で働く研究者達が、広範囲な用途でこの技術を利用するよう刺激してくれることを期待しています。”」

クラゲなので、かなり刺激的でもありますが、非常に興味深いロボットであることには違いありません。形状プログラマブルであるが故に、外部磁場で形状を自由に変えることで、いろんな場所へ潜り込ませることが可能になり、クラゲやゾウリムシみたいに、繊毛や鞭毛を巧みに使って泳ぐこともできるので、血管内を移動させることも当然可能です。将来的には、超微細人工知能を組み込んで、自分で考えて体内を動き回り、必要な個所をレーザーで焼き切ったり、必要な薬剤を分泌したりと、人工免疫ロボットとして天然免疫細胞と協力してヒト免疫系を支えていくことになるはずです。