未来は今-形状記憶合金
形状記憶合金の紹介
まるでSFのような話だが、形状を変化させ、以前の形状を「記憶」することができる金属は、今日、自動車、航空宇宙、生物医学、ロボット産業の至る所で使用されている。
その用途は非常に多様であるため、これらの金属は形状記憶合金（SMA）、スマート・メタル、マッスル・ワイヤー、スマート合金など多くの名称で呼ばれている。簡単に言えば、SMAは特別に調合された混合金属で、変形した後に元の形状に再加工することができる。ここでのトリックは、変形したSMAを「転移温度」まで加熱することで、SMAの記憶特性が活性化され、元の形状に戻るというものだ。もちろん、人が朝食に何を食べたかを覚えているように、合金が実際に元の形状を覚えているわけではない。その代わり、SMAが製造される際、金属は "親形状 "を確立するような方法で加工される。
1993年の論文 "Memory Metal "の中で、ジョージ・カウフマンとアイザック・メイヨーは、最も汎用的で一般的なSMAの一つである、ニチノールと呼ばれるニッケルとチタンの組み合わせの製造工程について述べている。「この高温により、原子は可能な限りコンパクトで規則的なパターンに配列され、オーステナイト相として知られる剛直な立方体配列になる。このオーステナイト相が確立されると、トレーニングとも呼ばれる工程を経て、使用準備が整う。
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SMAは、片方向記憶と双方向記憶の2種類に分けられる。一方向記憶とは、金属がさまざまな位置を保持するために形状を変えたり変形したりできることを示すが、いったん転移温度にさらされると、元の形状に戻る。双方向記憶効果は、金属が低温で1つの形状を記憶し、高温で異なる形状を記憶するように訓練されたSMAに見られる。
SMAの使われ方は業界によってさまざまで、より静かなエンジンを実現する航空宇宙設計、オイルラインや水道管の形状記憶カップリング、自動車のシート、ロボットの「筋肉」などに使われている。SMAの医療応用も大きな成功を収めている。SMAステントは、動脈を開いた状態に保つ末梢動脈形成術に使用され、SMAは柔軟な眼鏡フレームや、装着者の歯に一定の力を加える歯科矯正を可能にしている。
形状記憶合金が実際に使われているところをまだ見たことがないという人も、おそらくこれから見ることになるだろう。形状記憶合金の新しい用途は、日々構想されている。スマートフォンからロボット工学、エンジンまで、SMAは今まさに使われている未来的な素材なのだ。
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形状記憶合金の例
形状記憶合金にはいくつかの種類があるが、最も一般的に使用されているのは、以下の金属をベースとしたものである：
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ニッケル-チタン（NiTi）：ニッケル-チタン（NiTi）：「ニチノール」と呼ばれることが多く、最も広く知られ、使用されているSMAである。ニッケルとチタンの合金で、優れた形状記憶特性と生体適合性で特によく知られており、ステント、ガイドワイヤー、歯科矯正などの医療用途に理想的です。
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銅ベースの合金：銅-アルミニウム-ニッケル合金や銅-亜鉛-アルミニウム合金は、他のタイプのSMAです。ニチノールほど広く使われているわけではありませんが、アクチュエーター、ロボット工学、自動車部品などの分野で応用されています。銅基合金は一般的に安価ですが、ニッケルチタン合金とは異なる機械的特性を示します。
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鉄基合金：他のタイプのSMAに比べ比較的新しく、航空宇宙産業など、より高い強度が要求される特殊な用途に使用されます。特殊なエンジニアリング・プロジェクト用に開発されることが多い。
形状記憶合金の用途
形状記憶合金は、そのユニークな特性により、医療機器から航空宇宙技術に至るまで、多くの産業で応用されています。SMAの主な用途には以下のようなものがあります：
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医療用途：SMAは医療分野で広く使用されており、特に最小限の侵襲性を必要とする機器や、特定の条件下で機能する必要がある機器に使用されています。よく知られた例としては、閉塞した血管に挿入される小さなメッシュチューブであるステントへのニチノールの使用がある。一度挿入されたステントは体温で拡張し、元の形状に戻って血管を開く。SMAはまた、低侵襲手術用のガイドワイヤー、歯列矯正器具、外科用ステープルにも使われている。
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アクチュエーター形状記憶合金は、熱エネルギーを機械的な働きに変換するアクチュエーターに使用されます。様々な産業用途において、SMAはポンプ、バルブ、その他制御された動きを必要とする装置に使用されます。この合金は、温度変化によって駆動されるシンプルで信頼性の高い運動メカニズムを提供し、自動制御システムや自己制御システムによく使用されます。
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航空宇宙とロボット工学：SMAは、航空宇宙用途ではアクチュエーターや、航空機のフラップやラダーのような空力面の制御に使用され、飛行中の温度変化に対応することができます。ロボット工学では、SMAは筋肉の動きを模倣するために使用することができ、柔軟で適応性のある材料を必要とするソフトロボット工学にとって貴重な材料となっている。
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コンシューマー・エレクトロニクス：SMAは民生用電子機器、特にコンパクトなサイズと柔軟性が要求される機器にますます使用されるようになっています。例えば、自動調整レンズ付きカメラ、自動メガネ、ウェアラブル技術の一部の作動機構などである。
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自動車産業：自動車産業では、SMAは温度調節シート、自動ミラーなどのスマートシステムや、自動車の作動システムの一部として使用されています。これらの合金は、従来の材料に比べ、より効率的でコンパクトな機構を作るのに役立っている。
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スマート材料とシステム：SMAは、環境刺激への応答性を必要とする用途に使用されるスマート材料やシステムにも組み込むことができる。このような材料は、温度変動に反応して形状が変化し、自己修復機能や適応機能を提供する建物やインフラに使用できる。
結論
形状記憶合金は、温度の影響を受けてあらかじめ定義された形状に戻る能力により、材料科学における重要なブレークスルーを象徴している。医療用ステントやアクチュエーターから航空宇宙用途に至るまで、SMAは将来の技術革新に大きな可能性を秘めた貴重な材料であることが証明されている。SMAの研究が進むにつれて、今後数年のうちにこの素材の用途がさらに高度化し、工業用途と日常用途の両方でその価値がさらに高まることが予想される。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
参考文献
[1]NASA（2025年2月20日）.NASAの形状記憶材料がスマート技術への扉を開く。NASA 技術移転プログラム.2025 年 2 月 20 日、https://technology.nasa.gov/から取得。
