材料科学：テクスチャーを持つ力学的メタマテリアルのコンビナトリアル設計
Nature 535, 7613 doi: 10.1038/nature18960
メタマテリアルの構造の複雑さには制限がない。しかし実際には、設計の大半が周期的な構造を含んでいるため、空間的に一様な特徴を持つ材料が得られる。ソフトロボティクス、補綴術、ウエアラブル技術におけるより先進的な応用には、空間的なテクスチャーを伴う力学的機能性が求められており、非周期的な構造が必要になる。ところが、そうした構造的複雑さを単純に実現しても、局所的制約が随所で満たされない幾何学的フラストレーションが常に発生するため、コヒーレントな動作が妨げられ、機能性が阻害される。今回我々は、空間的テクスチャーを伴う、機能性を示し非周期的だがフラストレーションのない力学的メタマテリアルを設計するために、コンビナトリアル戦略を導入した。我々は、異方的に変形するボクセルという立方体の構成要素、変形した構成要素が三次元ジグソーパズルのようにぴったりはまることを保証することにより協調的な形状変化を可能にする局所的積み重ねルール、および三次元印刷を用いて、コンビナトリアル戦略を実行した。こうした非周期的メタマテリアルは、ホログラフィックな長距離秩序を示しており、これによって、ピクセル化された二次元表面テクスチャーが三次元内部ボクセル配置を決定する。また、こうしたメタマテリアルは、一軸的に圧縮されると空間的に複雑だが予測可能で設計可能な形状へと変化するプログラム可能な形状シフターとしての役割も果たす。さらに、テクスチャー表面による圧縮に対するこうしたメタマテリアルの力学的応答は、センシング能力やパターン解析能力があることを示している。従って、コンビナトリアル設計は、通常とは異なる秩序や機械のような機能性を有する力学的メタマテリアルの実現に向けて新たな道を開くものとなる。
