オランダの国立原子分子物理学研究所(AMOLF)とライデン大学、米テキサス大学オースティン校の研究チームは、振動・衝撃などの機械的な力が一方向にしか伝わらないメタマテリアルを開発した。研究論文は科学誌「Nature」に掲載された。

通常、どの方向から物質に力が加わっても、あるいは電磁波や音波などがどの方向から物質内に入射しても、それらの力や波は物質内を伝播していく。この性質は相反性と呼ばれ、物理学上の基本的な法則のひとつである。軟らかい物体であれば、物体の左側を押したとき右側に力が伝わって変形し、逆に右側を押せば左側が変形するのも、力学的な相反性であるといえる。

力学的な相反性が破れたメタマテリアルのイメージ。力が加わる方向によって物体内での伝わり方が大きく変わる(出所：AMOLF)

研究チームは今回、ゴムを材料に用いて、力学的な相反性が破れたメタマテリアルを作製した。このメタマテリアルを右側から押すと、圧力をかけたポイントの近くでは物体が変形するが、反対側にはほとんど力の影響が及ばない。一方、左側から同じ力で押した場合には、物体全体に力が強く伝わっていくという。

メタマテリアルは、平坦なゴムのシートに精密設計された孔のパターンを形成したもので、パターンをわずかに右側に傾けることによって、相反性の破れを作りだした。小さな圧力しか加わらない場合でも非相反的な挙動を示すように設計することができるという。

電磁波を一方向にしか通さない材料はこれまでにも作られており、光通信デバイスなどに応用されている。しかし、機械的な力を一方向にしか伝えないメタマテリアルの作製に成功したのは、今回がはじめてであるという。衝撃や振動の伝わり方を、力の方向によって制御できるため、さまざまな工学的応用が考えられる。研究チームは、同技術の応用例として、ソフトロボティクス、義肢、環境発電などを挙げている。