上に曲げた？下に曲げた？MITの柔らかいシートは光で自分の形を読む

光を遠くまで運ぶ、細い線よ。インターネットの通信を支えるケーブルにも使われているわ。

中心にある透明な芯を、外側の覆いが包んでいるの。たとえるなら、光を通す細いホースね。ただ、流れるのは水ではなく光よ。

ふつうの光ファイバーなら、光は外へ出ていかないのよ。ガラスの光ファイバーでは、光は芯と覆いの境目ではね返りながら進むの。中学校の理科で習う全反射ね。

ガラスの光ファイバーを曲げると、光が境目に当たる角度が変わるの。はね返りきれない光は、外へ漏れるわ。

片方の端から光を入れると、光ファイバーは曲げるほど、反対の端まで届く光が減るのよ。研究者たちは以前から、出口の明るさで曲がり具合を測る使い方も試してきたわ。

芯がどちら側も同じ作りなら、上に曲げても下に曲げても、同じ角度で同じだけ暗くなるはずよ。

曲がった大きさは分かっても、どちら向きかは見分けられないの。
時計の針が動いた量だけ分かって、右回りか左回りか分からない状態ね。ただ、実際は針ではなく、明るさの数字が1つ出るだけよ。

MITは、光ファイバーを自分たちで作ったのよ。芯は透明で柔らかいゴム、覆いは同じゴムを黒く染めたものを使っているわ。

ふつうの光ファイバーの芯は、とてもなめらかなの。でもMITは、芯の片側だけをわざとざらざらにしたのよ。

たとえば、ざらざらの面を上に向けて置いたとするわね。上へ曲げればざらざらの側、下へ曲げればなめらかな側へ曲げることになるわ。

研究者たちの考えでは、ざらざらの側へ曲げると、通る光がその面で散らばるの。
すると、反対の端に届く光の量が変わるわ。同じ角度でなめらかな側へ曲げたときとは、届く量が違うのよ。

たとえるなら、ボールをなめらかな壁とでこぼこの壁にぶつけたときで、跳ね返り方が違うのと似ているわ。ただ、光は跳ね返るだけでなく、いろいろな向きへ散らばるの。

散らばった光がどこへ行くのか、どちら向きで暗くなるのかは、発表に書かれていないの。

でも、芯の片側だけ作りを変えたから、上と下で出口の明るさの変わり方が違うわ。だから明るさから、曲がった大きさだけでなく向きまで分かるのよ。

研究を発表した一人の、大学院生のQifan Yuさんによると、これまでは線の形を測る使い方が中心だったそうよ。ロボットの腕がどう曲がるかを見る使い方があるわ。

面がどんな立体になっているかを組み立て直すことには、まだ使われていなかったそうよ。

1本だと、その線に沿った曲がりしか分からないわ。そこで、向きの分かる光ファイバーを何本も、ゴムの仲間のシリコーンでできた柔らかいシートに埋め込んだの。

たとえるなら、山の測量ね。1本の道の坂だけでは山の形は分からないけれど、道をたくさん測れば形が見えてくるわ。ただ、測るのは坂ではなく、光の明るさよ。

埋め込み方も、市松模様のような単純な形から、斜めに交差するジグザグの形まで、コンピューター上で比べたわ。

曲げたりねじったりする計算では、ある間隔のジグザグで組み立てた形が、もとの形にいちばん近くなったの。

光ファイバーごとに、一方の端へ光を出すLED、もう一方の端へ明るさを測るセンサーを付けているわ。

測った明るさから1本ずつの曲がり具合を出して、合わせて全体の立体の形を計算するの。

対角線で折って、続けて逆向きに折ると、コンピューターの中の形もほぼ同時に同じ動きをなぞったわ。

何本かが切れたり外れたりしても、残りで全体の形を正確に組み立て直せたのよ。

似た目的の物なら、人の動きを画面の中のキャラクターへ移すモーションキャプチャー用の服があるわ。その中には、硬いセンサーを要所に縫い付けるものがあるの。

3Dプリンターで作った型にかぶせて、計算で組み立てた面と実物の面のずれを測ったの。誤差は0.4cm未満で、定規の目盛りなら4つ分より小さいわ。

Yuさんによると、今回の結果は「少なくとも既存の技術と同等」だそうよ。

光ファイバーの太さは、いまは1mmよ。ほかの作り方なら、数十マイクロメートルまで細くできるの。1mmの数十分の1で、髪の毛より細くなることもあるそうよ。

そのうえで、服にもっと多く埋め込む構想なの。

リハビリで患者の腕や脚に巻いて、動ける範囲を記録することを想定しているわ。ゲームのキャラクターや遠くのロボットを体の動きで操る使い方も、挙げているのよ。