水と風が複雑な形状を作り出す様子を模倣する研究

水と風が複雑な形状を作り出す様子を模倣した研究物理

手を使わなくても、エネルギーフィールドとスマートアルゴリズムを使って、粒子を望みの形に誘導できることが、新しい研究で明らかになりました。

星型の砂丘や円弧状の岩など、自然界の複雑な形状は、誰かにデザインされたのではないかと思うほど、意図的に作られているように見えることがあります。

科学者たちは、ランダムで混沌としたエネルギー場の特定の組み合わせが、長い時間をかけて、地球上に点在するこのようなユニークな形を生み出すことを長い間認識してきました。

しかし、母なる自然の力を再現することに成功した例はほとんどありません。

アールト大学の研究者たちはこのたび、振動板とそれに伴うエネルギー場を利用して、複雑な形状や景観を生み出す自然のプロセスを模倣する方法を発見しました。

この成果は、2021年9月22日付のScience Advances誌に掲載されました。

この効果を生み出すために、研究チームは、5x5cmのシリコンプレートに、はんだ付けによく使われるような小さな金属球の粒子を最大100個分散させました。

カメラとスマートアルゴリズムにより、プレートが振動して非線形エネルギー場が形成されると、粒子を追跡し、アルファベットのような希望の形に操作することができました。

カメラで粒子の位置を確認し、アルゴリズムで最適な振動数を選択して、粒子を目的の方向に移動させました。

粒子は、振動周波数に応じて特定の方向にプレート上を移動します。

初期の粒子分布から最終的な結果まで、いくつかの段階を示す形状形成実験のスナップショット。

初期の粒子分布から最終的な結果まで、いくつかの段階を示す形状形成実験のスナップショット。©Aalto University

「同じ周波数でも、プレートの異なる部分では移動の方向が大きく異なります」と、今回の研究グループを率いるQuan Zhou教授は説明します。

研究者たちは、粒子の動きが複雑であるにもかかわらず、スマートアルゴリズムが異なる周波数での動きを予測できたことに驚きました。

アルゴリズムは、目標とする形状とプレート上の実際の粒子分布との差を効率的に最小化しました。

「粒子群の動きは、天然素材が風や水の力で形作られる自然現象に似ています。この方法は、小さなスケールでも大きなスケールでも機能するはずで、将来的には、手や工具を使うことが困難な場所で、さまざまな応用が可能になるでしょう。」と、博士候補生のArtur Kopitca氏は語ります。

通常、特定の形状の製品を製造するには、型や熟練した人手が必要です。

研究者たちは、自然からヒントを得たこの方法を、医療やバイオサイエンスの研究における細胞の選別や、工業的な生産方法として利用できると考えています。

Water and Wind Create Complex Shapes - Aalto University research

言葉を綴る:初期の粒子分布から最終的な結果まで。©Artur Kopitca/Alto University

ただし、どのくらいの数の粒子を制御できるか、また、乱流などの類似した動的特性をもつ他のシステムとどのように統合できるか、という点が重要な課題となります。

Zhou氏の研究グループは、これまでにも振動板の特性や、振動板を使って粒子を特定のルートや最終目的地に誘導する方法を研究してきました。

しかし、自然現象を模倣して形状を作り出すのは、今回が初めての試みです。

Published by Aalto University. Programmable assembly of particles on a Chladni plate, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abi7716

 

 

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