1985 年、イノベーティブ デザイン財団はある広告を発表しました。 サイエンティフィック・アメリカン 衣類、室内装飾、テキスタイルのスマート プロトタイプをサポートするために最大 10,000 ドルを提供します。当時ポラロイド社の電気技術者で、現在はマサチューセッツ工科大学の教授であるウィリアム・フリーマン博士 (92 年) はこれを見て、三面ジッパーという新しいアイデアを思いつきました。ズボンを締める代わりに、椅子、テント、バッグをソフトモードとハードモードの間でシームレスに切り替え、梱包や組み立てを容易にするスイッチのようなものになります。
フリーマンの絵は、三角形を除いて通常のジッパーと似ていました。両側にベルトを釘で打ち付けて、細い木製の「歯」を接続しました。デバイスを包み込むスライダーを上に動かして、3 つのストラップを所定の位置に固定し、三角形のチューブに整列させます。彼の提案は拒否されましたが、フリーマンはプロトタイプの特許を取得し、いつか役立つことを期待してガレージに保管していました。
それから約 40 年後、MIT のコンピューター サイエンスおよび人工知能研究所 (CSAIL) の研究者たちは、「剛性を変更できる」アイテムを作成するプロジェクトを復活させたいと考えていました。これまでの取り付けの試みでは、簡単に元に戻すことができなかったり、手動で組み立てる必要があったため、CSAIL は自動設計ツールと「Y ジッパー」と呼ばれる調整可能なクランプを開発しました。科学者のソフトウェアは、ユーザーが三面ジッパーをカスタマイズするのに役立ち、プラスチックを使用した 3D プリンターでそれ自体を構築します。これらのデバイスは、組み立てを容易にするために、キャンプ用品、医療機器、ロボット、アートインスタレーションに取り付けたり埋め込んだりすることができます。
「通常のジッパーは、ジャケットなどの平らな物体を閉じるのに最適ですが、フリーマン氏はもっとダイナミックなものを考えました。現在の製造技術を使用すると、彼のメカニズムはより複雑なアイテムを変形させることができます」と、MIT CSAIL博士研究員であり、このプロジェクトを紹介するオープンアクセス論文の主著者であるJiajie Li氏は言う。 「私たちは、柔軟なオブジェクトから剛なオブジェクトにすぐに移行でき、現実世界で確実に動作するオブジェクトを構築するプロセスを開発しました。」
なぜジッパーなのか？
ユーザーは、CSAIL ソフトウェアで圧縮したときにコネクタがどのように見えるかをカスタマイズできます。各ストリップの長さ、曲げる方向と角度を選択できます。また、4 つのモーション「プリミティブ」から 1 つを選択して、ファスナーを閉めたときにジッパーがどのように見えるかを選択することもできます: まっすぐ、曲がる (弓に似る)、コイル状 (バネに似る)、ひねる (ネジのように見える)。
結果として得られる Y 字型ジッパーは、現実世界では「形状が変化」しているように見えます。ジッパーを開くと、3 本の幅広い触手を備えたイカのように見えますが、閉じると、よりコンパクトな構造になります (たとえば、棒のような)。この柔軟性は、旅行時に役立ちます。たとえば、テントを設営する場合などです。このプロセスを単独で行うには最大 6 分かかる場合がありますが、Y ジップを使用すると 1 分 20 秒で完了します。各アームをテントの側面に取り付けるだけで、構造を上から支え、ジッパーでキャノピーが所定の位置に収まるように見えます。
このスムーズな移行により、より柔軟なウェアラブルのロックが解除され、医療現場で役立つことがよくあります。研究チームは、手首のギプスに Y 字型ジッパーを巻きつけ、ユーザーが日中はジッパーを外し、夜はさらなる怪我を防ぐためにジッパーを閉めることができるようにしました。同様に、一見堅いように見える装置も、患者のニーズに合わせてより快適なものにすることができます。
このシステムは、ユーザーがボタンを押すだけで推進技術を開発できるように支援することもできます。生産後に Y 字型ジッパーにモーターを取り付けてジッパーのプロセスを自動化することができ、適応型クワッド ロボットなどの構築に役立ちます。ロボットは脚のサイズを変更したり、より高い手足に取り付けたり、地面よりも低くする必要があるときに開いたりすることがあります。最終的に、このような素早い調整は、ロボットが峡谷や森林などの平坦でない地形を探索するのに役立ちます。動力付きの Y 字型ジッパーは、ダイナミックなアート インスタレーションを構築することもできます。たとえば、チームは、デバイスを開閉する静的モーターのおかげで「咲く」長くねじれる花を作成しました。
材料管理
リーと彼の同僚は、Y ジッパーの創造的な可能性を認識していましたが、それがどれほど耐久性があるかはまだ不明でした。毎日の使用に耐えられるでしょうか?
チームはそれを明らかにするために一連のストレステストを実施した。まず、3D プリンティングで一般的に使用される 2 つのプラスチックであるポリ乳酸 (PLA) と熱可塑性ポリウレタン (TPU) の強度と柔軟性を評価しました。 Y 字型ジッパーを下向きに曲げる機械を使用したところ、PLA はより重い荷重に耐えられる一方、TPU はより柔軟であることがわかりました。
別の実験では、CSAILの研究者らはアクチュエーターを使ってY字型ジッパーを連続的に開閉し、スナップするまでにどれくらいの時間がかかるかを調べた。圧縮と解凍を約 18,000 回繰り返した後、ついに壊れました。 3DシミュレーションによるY字ファスナーの耐久性の秘密は、重い荷物の圧力を分散する弾性構造です。
こうした発見にもかかわらず、Lee 氏は、金属などのより強力な素材を使用することで、3 方向ジッパーの耐久性がさらに高まると考えています。大規模プロジェクトではジッパーを拡大することも考えられますが、現在の 3D プリンティング プラットフォームではまだ不可能です。
Jiaji氏はまた、宇宙探査など、Y-Zipperの触手を宇宙船に組み込んで近くの岩石サンプルを採取するなど、一部の用途は未開拓のままであるとも指摘している。また、ジッパーを建物に埋め込んで素早く組み立てることができ、自然災害や救助の際に援助従事者が避難所や医療用テントを迅速に設置できるようにすることもできる。
「三次元の形態変化に対処するために日常のジッパーを再考することは、動的アセンブリへの素晴らしいアプローチです」と、この論文には関与していない浙江大学のグアンユン・ワン助教授は言う。 「さらに重要なのは、ソフトモードとハードモードの間のギャップを効果的に橋渡しし、将来の身体化されたインテリジェンスの設計に大きな利益をもたらす、スケーラブルで革新的な製造アプローチを提供することです。」
リー氏とフリーマン氏は、天津大学博士課程学生シャン・チャン氏とMIT CSAILの同僚である博士課程学生マキシン・ペローニ・シャーフ氏とともに論文を執筆した。 BA 曹鼎寧;最近の客員研究員 Mingming Li (浙江大学)、Jeremy Marziglucki (ミュンヘン工科大学)、山本拓海 (クエ大学)。 MIT准教授のステファニー・ミュラー氏はCSAILの主任研究者であり、この研究の上級著者でもある。彼らの研究は、浙江大学のポスドク研究フェローシップと MIT-GIST プログラムによって部分的に支援されました。
研究者の研究成果は、4月に開催されたACM Human Factors in Computing Systemsカンファレンスで発表された。
