この洗練された時計は、空気圧ロジックを使用してディスプレイを駆動します

電子は 大きい。私たちはそれらを車両の移動や都市の移動、そしてもちろん計算にも使用します。しかし、計算はエレクトロニクスの世界に限定されません。そして、代替の非電子領域に移行すると、独自の利点が解放される可能性があります。たとえば、フォトニック チップは、ほとんど熱を発生させずに光で情報を処理します。もう 1 つの有力な代替手段は、加圧された気体または液体を使用して論理回路を構築する流体工学です。この分野は 1960 年代に開拓されましたが、マイクロチップに取って代わられ、1990 年代に「マイクロ流体工学」として再登場しました。このアプローチは、統合された微空圧制御システムを備えた微小な流体チャネルを作成することにより、ラボを単一チップ上に縮小することを目的としています。

今日、二度目の流動性の復活があり、今回はソフトロボティクスの分野です。マイクロ流体設計をミリメートルスケール範囲（ミリロイド）までスケールダウンすると、ロボットアクチュエーターに動力を供給するために必要なより高い流量が可能になります。これらのロボットは、柔らかい素材の非線形挙動を利用して、多くの場合、加圧空気を使用して、本物のような動きとより安全なインタラクションを生み出します。

システムを動かすのと同じ空気で「考える」システムを構築することで、かさばる電子空気圧インターフェースの必要性を大幅に減らすことができます。これが私のロボット研究室 Soiboi Studio の焦点です。ミリ倍体ロジックを使用して、設計の複雑さを着実に増加させました。単純な発振器として始まったものは、最近では 4 桁の 7 セグメントのソフト ディスプレイを備えた時計に進化しました。

ミリフルイドとは何ですか?

2000 年代初頭のマイクロ流体研究とカリフォルニア大学リバーサイド校のグローバー研究所の最近の開発に基づいて、標準的な 3D プリンティングとシリコン キャスティングを使用してミリ流体デバイスを開発しました。基本的な構造は単純です。エア チャネルのネットワークに埋め込まれた剛性層の間に、柔軟な膜が配置されています。

電子機器がさまざまな電位に依存するのと同じように、これらの液体回路は大気圧 (ロジック 0) と約 -60 kPa の相対圧力 (ロジック 1) の真空付近の圧力差で動作します。負圧を使用すると、膜が開口部に引き込まれることになります。これにより、電子ビルディング ブロックを複製できる強力なシールが作成されます。

鋳造シリコン膜が時計の表面を形成します [top]その後ろには 3D プリントされたミリ流体ブロックが置かれています [middle rows]。 Arduino Unoは、真空ポンプに接続されたバルブに接続されたソレノイドを作動させるドライバーボードを制御します [bottom row]。ジェームズ・プロボスト

液体抵抗器はチャネルの形状を調整することで簡単に実現できますが、システムの中心となるのは金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) を模倣したバルブです。この真空「トランジスタ」には、中央のバルブシートによって分割された 2 つのコンパートメント (ソースとドレイン) を備えたフロー層と、キャビティ (ゲート) を含む制御層が含まれています。膜は制御層とフロー層の間を通過し、通常、ソースセルとドレインセルの間の空気の流れを防ぎます。トランジスタを動作させるには、ゲート セルに真空を適用し、メンブレンをキャビティ内に引き込み、シートから持ち上げます。これにより、電気回路が閉じるのと同じように、空気の流れの経路が開きます。膜に小さな開口部を追加することで、ダイオードに相当する液体である逆止弁を作成しました。トランジスタと抵抗「プルダウン」チャネルを組み合わせることで、論理ゲートの完全なパッケージを構築できます。

私にインスピレーションを与えたオリジナルのマイクロ流体デザインは、エッチングされたガラスと粉砕されたアクリルから作られました。これらを標準の 3D プリンタに適合させるには、論理要素を再設計し、2 つの重要な製造技術を習得する必要がありました。

まず、密封されたプリントが必要ですが、プリントされたプラスチックは多孔質であることで有名です。高温、低速、わずかな過剰押し出しで印刷することで、微細な隙間を埋めることができました。透明なフィラメントを使用している場合、便利な視覚的インジケーターがあります。プラスチックが透明に見えるほど、多孔性が低くなります。

次に、プリントベッドにガラスを使用しました。上部チャンバーと下部チャンバーをこのベッドに直接印刷することで、境界面がミラーの一部になるようにしました。この仕上げは、信頼性の高い気密シールを作成するために不可欠です。 0.3ミリメートルのシリコン膜が層の間に配置され、ネジで固定されます。

ソフトウォッチはどのように機能しますか?

時計の文字盤は成型されたシリコン膜です。各数値セグメントは、その下の小さなスペースによって形成されます。この空間から空気が排出されると、膜が引き込まれて凹状の空間が形成されます。大気圧が回復すると、シリコンは表面近くで跳ね返ります。その結果、魅惑的で有機的な動きが生まれました。

時計の「頭脳」は Arduino Uno ですが、フリップによりハードウェアの設置面積が大幅に削減されます。 2 つのセパレータ ドットを備えた 4 桁の 7 セグメント ディスプレイでは、直接制御するには 29 個のソレノイド バルブが必要になります。私の時計にはバルブが 11 個しか必要ありません。

空気圧トランジスタは、上部制御セルが大気圧になるとオフになります。 [top]。制御セルから空気が除去されると、膜が持ち上げられ、空気が下部のフローセルの間に流れるようになり、トランジスタがオンになります。 [bottom]。 ジェームズ・プロボスト

これがどのように機能するかを理解するために、標準的な 4 桁の 7 セグメント電子 LED ディスプレイを考えてみましょう。また、その桁を駆動するために 11 個のピンを使用します。 (時計表示では、区切りドットを駆動するために追加のピンが必要です。) 各桁は、セグメントごとに 1 つずつ、合計 7 つのラインで共通のデータ バスに接続されます。 4 本の制御線は個々の数字を選択します。一度に点灯するのは 1 つの数字だけであり、その数字を 1 秒間に少なくとも 50 回押すと、4 つすべてが同時に点灯しているかのような錯覚が生じます。

このような高速スイッチングは空気では不可能です。代わりに、記憶に頼っています。各セグメントはコンデンサのように機能します。そのスペース (ロジック 1) をクリアすると、セグメントが「充電」されます。大気圧 (ロジック 0) に戻すことで、大気圧を破壊します。したがって、各桁は独立した 7 ビット メモリとして機能します。システムが十分に密閉されている場合、セグメントは数秒間その位置を保持します。

電子ディスプレイと同様に、システムは 7 ラインのデータ バスを使用します。各ラインは、真空または大気圧を提供するソレノイド バルブに接続されています。個々の桁を選択的にアドレス指定するために、各セグメントとそのデータ ラインの間に液体トランジスタを配置しました。特定の桁のすべてのトランジスタ制御入力は、ソレノイド バルブに接続された 1 つの「書き込みイネーブル」ラインに結合されます。このバルブをアクティブにすると、適切な桁のメモリにデータを書き込むことができます。

時計は 1 秒あたり 1 桁更新されるため、文字盤の完全なサイクルには 4 秒かかります。このサイクルは分離ポイントも駆動します。液体ダイオードのグループが動作ラインをポイントのスペースに接続します。その結果、各桁がアドレス指定されると、ドットが自動的にパルスします。

このディスプレイは単なる時計ではありません。時間を教えてくれる柔らかいロボットです。計算をムーブメントを駆動するのと同じ空気にオフロードすることにより、この時計は、よりシンプルで軽量、より統合された新しいクラスの機械に近づきます。現在、真空駆動ロジックを始めるためのマニュアルを開発中で、将来的にはこのクロックの改良版をリリースする可能性があります。シリコン スキンのモーフを見ると、すべてのロジックにシリコンが必要なわけではないことを思い出させてくれます。場合によっては、柔軟なシリコンと通気性だけが必要な場合もあります。

この記事は、The Soft Hour という 2026 年 6 月の印刷号に掲載されます。