折り紙

Sep 01, 2023

アマンダ・ペダーセン | 2023 年 3 月 7 日

折り紙からインスピレーションを得たテクノロジーは、バッテリー技術、宇宙船の設計、さらには医療技術を含む多くの業界にわたって画期的な進歩をもたらしてきました。

長年にわたり、MD+DI は折り紙にインスピレーションを得た多くのテクノロジーについて報告してきました。 実際、2015 年には、MD+DI 読者に今後数年間の医療技術に大きな影響を与える可能性が最も高い新技術を尋ねる一連の調査で、折り紙からヒントを得た電池がトップとなりました。

その年の初めに、アリゾナ州立大学 (ASU) の研究者らは、元のサイズの 150% 以上に伸ばしても完全な機能を維持できる電池の設計テンプレートとして、切り紙と呼ばれる折り紙の一種を使用しました (上の写真)。 ASUの研究者らがどのように切り紙ベースのリチウムイオン電池を開発したかを説明した論文が、2015年6月11日付でNature誌のScientific Reports誌に掲載された。 切り紙をベースにしたプロトタイプのバッテリーは、スマートウォッチに取り付けられる伸縮性のあるリストバンドに縫い付けられました。 バンドが伸びている間、バッテリーは時計とその機能 (ビデオの再生を含む) にフルに電力を供給しました。

「ほとんどのウェアラブル機器は電力を必要とし、一部のウェアラブル機器では、使いにくい形状やユーザーの動きに合わせて曲げる必要がある形状にできるだけ多くの電力を詰め込む必要があるでしょう」と現在ネプチューン・メディカルの副社長であるビル・エバンス氏はMD+DIに語った。 「ASUチームによる切り紙にインスパイアされたデザインのようなバッテリーは、使用中に曲がる能力がありながらも、リチウム化学が持つより高い性能とよく理解されている特性を提供するため、この新興ウェアラブル市場において多くの可能性を秘めていると思います」オファーします。」

ASUの研究者らは2年前に折り紙のミウラ折りに着手した、とASUの機械・航空宇宙工学教授Hanqing Jiang氏は説明した。 この方法は、発明者である日本の天体物理学者、三浦公陵にちなんで名付けられました。この方法では、平らな表面をより小さな領域に折り畳むことが必要になります。

「折り紙や切り紙は美術品に属します。技術者によって使用されるようになったのはごく最近のことです」と江氏は語った。

硬いリチウムイオン電池に弾力性を与えるという点では、ミウラには可能性があるように思えた。 しかし、Jiang 氏と彼の同僚、博士課程学生の Zeming Song 氏と Xu Wang 氏はすぐに問題に遭遇しました。Miura は伸縮性がありますが、繰り返し伸ばすと身長が大幅に変化したのです。 江氏、宋氏、王氏がたどり着いた解決策は、折ったり切ったりする「切り紙」と呼ばれる折り紙だった。 切り紙を使用することで、切ったりひねったりすることで伸縮性のあるリチウムイオン電池の連動構造を実現しました。

折り紙は、ビンガムトン大学 (ニューヨーク州ビンガムトン) の電気およびコンピュータ工学の助教授である Seokheun Choi にとっても役立つことが証明されました。 Choi 氏は、発展途上国でセンサーやその他の低電力医療機器に電力を供給できる可能性のある、折り紙からインスピレーションを得た紙バイオバッテリー (下の写真) を考案しました。

このバッテリーには、通常の事務用紙の側面にニッケルをスプレーすることによって作成された空気を呼吸する正極が含まれています。 アノードはカーボンペイントでスクリーン印刷されています。 あらゆる種類のバクテリアを含む液体を一滴垂らすと、紙製バイオバッテリーに電気を発生させることができます。 ただし、設計上で大きな課題がありました。 チョイ氏は、実用に十分なマイクロワットを生成するために、これらの紙電池をいくつか並べる必要がありました。 バイオセンサーにはスペースの制約があります。 アリゾナ州立大学で博士号を取得したチョイ氏は、ASU の研究者の研究や折り紙を使用した他の技術者の研究を知っていました。 これは、Choi にとってエレガントな解決策を提供しました。

「折り曲げ技術を使えばサイズを小さくすることができます。...折り紙技術を使用して、28 個の電池を接続して電力密度を高めることができました。この技術は、あらゆるバイオ電池や紙ベースの基板を使用する電池にとって、大きな可能性のあるツールであると思います。可能性の高さだ」とチェ氏は語った。

2016年、ブリガムヤング大学（BYU、ユタ州プロボ）の研究者らは、すでにNASAと協力して宇宙船の設計に折り紙の原理を利用していたが、関連する折り紙技術を利用して、皮膚の穴に挿入できるほど小さな手術器具を作り始めた。縫合せずに治すことができます。 BYU はロボット手術のパイオニアである Intuitive Surgical にこの技術をライセンス供与しました。 このビデオ (トランスクリプトは以下で入手可能) は、BYU が Intuitive にライセンスを供与した折り紙にインスピレーションを得たテクノロジーの一部を詳しく説明しています。

外科用機器業界は、従来の器具を使用して外科用ツールを小型化することが不可能になりつつある段階に達していました。 しかし、BYU のエンジニアは、折り紙にヒントを得たデザインを代わりに使用し、一部の手術器具からピン ジョイントを排除することに成功しました。 たとえば、彼らは、3 mm の穴に収まるように設計されたロボット制御の鉗子を作成しました。「これらの小さな器具を使用すると、まったく新しい範囲の手術を実行できるようになり、うまくいけば、いつかは神経のような小さなものを操作できるようになるでしょう」とスペンサー・マグレビー氏は述べた。とBYUの機械工学教授は当時語った。 「折り紙からインスピレーションを得たアイデアは、物をどんどん小さくし、よりシンプルにする方法を理解するのに非常に役立ちます。」 研究者らはまた、最初は 2 次元構成である D-Core として知られるデバイスにも取り組んでいました。しかし、拡張すると 2 つの丸い表面になり、回転して椎間板の相互作用をシミュレートできます。 デバイスは単一の材料から作成できます。 当時の研究者たちは、タイベック、ポリカーボネート、ポリプロピレン、金属ガラスからバージョンを作成していました。 D-Core の研究は、2015 年に『Mechanism and Machine Theory』に掲載されました。

ビデオトランスクリプト

BYU 機械工学教授、スペンサー・マグレビー氏: 医療業界が折り紙に興味を持っている理由の 1 つは、より小型のデバイスを作成することであり、医療業界は新しいコンセプト、つまり単にデバイスを小型化するだけでなく、デバイスについての新しい考え方を望んでいたのです。 。

ロバート ラング、折り紙アーティスト、ロバート J. ラング 折り紙: 折り紙は、宇宙で役立つのと同じ理由で、医療でもよく役立ちます。 平らでシート状のものを体内に挿入する場合、できるだけ小さな穴から挿入したいと考えます。

スペンサー・マグレビー: 医師は常に、侵襲性を低くする方法、より正確に行う方法、あるいはおそらく神経や非常に小さなものを扱うなど、より正確な手術を行う方法を探しています。 BYU は最近、Intuitive Surgical と、研究室で開発されたデバイスの特許をライセンス供与する契約を締結しました。 Intuitive Surgical は、ロボットで手術を行うダ ヴィンチ ロボットを製造している会社です。 ここでは、物を掴んだり、縫合するために針を保持したりするために使用されている現在の装置の 1 つを見ることができます。 私たちが取り組んだ把持装置の最初のインスピレーションは、人々が一般にチョンパーと呼ぶ折り紙のパターンでした。 こちらは、部品点数を減らすための折り紙のアイデアを基にした大規模なプロトタイプです。

正体不明の発言者: ご覧のとおり、ここでは 3D プリントされたプラスチックが使用されていますが、ここでは実際に 3D プリントとステンレス鋼に移行し、この 4 ミリメートルのスケールで部品を作成することができました。

Spencer Magleby: 3D プリントを使用すると、形状やプロトタイプを非常に迅速に実験できます。 アイデアをコンピュータから 3D プリンタに送り、研究室に送って確認してもらうまで 1 日もかかりません。 現在のデバイスの部品数は約 3 分の 1 または 4 分の 1 なので、部品の数は大幅に減り、部品の複雑さは低くなります。 私たちの大きなアイデアは、折り紙などの非常に単純なものからインスピレーションを利用して、ものをどんどん小さくできるということです。 したがって、その複雑さをどんどん小さくしようとするのではなく、早い段階でシンプルさを目指すことにします。 より低侵襲で小規模なロボット手術を可能にするために私たちが開発したこれらの新しいデバイスは、大きな変化をもたらすだろうと本当に感じています。

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