What do this satellite thruster, plastic tool, and micro-mechanical switch have in common?

この衛星推進装置、プラスチック製工具、マイクロ機械スイッチには何が共通しているでしょう？

Well, they all contain components that bend, so-called compliant mechanisms.

それらはすべて曲がるコンポーネント、つまり適応機構を含んでいるんです。

This episode was sponsored by SimpliSafe, more about them at the end of the show.

このエピソードはSimpleSafeの提供でお送りしました。詳しくはを番組の最後で。

Now about a month ago, I was giving a talk in Utah, hence the suit, and that's where I met this guy.

約1ヶ月前、ユタ州で講演していたんですよ。だからスーツなんです。そこでこの人に会いました。

Larry Howell, professor of mechanical engineering.

Larry Howell、機械工学の教授です。

So it's always been considered to be bad to have flexibility in your machines.

機械に柔軟性があるのは悪いこととずっと考えられていました。

Well, we've tried to take that thing that everybody hates and has tried to avoid,

でも私たちは、みんなが嫌がって避けようとしてきたそのものを、

and say, how can we use flexibility to our advantage? How can we use that to do cool stuff?

どうやって柔軟性を有利に活かすことができるか、どうやってそれを使ってすごいことができるか、と考えてみたんです。

Now Professor Howell literally wrote the book on compliant mechanisms.

ホーウェル教授は文字通り、適応機構について本を書きました。

That's the most cited book.

最も引用されている本です。

But he's pretty nonchalant about his work.

でも彼は自分の仕事についてかなり気さくです。

Just watch how he introduces this mechanism

彼がこの機構をどう紹介するか見てください。

he developed to prevent nuclear weapons from going off accidentally.

核兵器が偶発的に作動するのを防ぐために開発したものです。

Actually, it's safing an army of nuclear weapons.

実際には、核兵器の軍隊を安全にしているんです。

And so, if you want to-

だから、もしあなたが～したいなら

Hang on, hang on, hang on.

ちょっと待って、ちょっと待ってください。

What are nuclear weapons?

核兵器とは何ですか？

Safing an army.

軍隊を安全にする。

Safing an army.

軍隊を安全にする。

Yeah, so if there's anything in the world that you want to be safe,

そう、世の中で絶対に安全であってほしいものがあるとすれば、

it's not going to accidentally go off.

それは間違って作動してしまわないことです。

I feel like this doesn't even need saying, but yes, nuclear weapons,

言うまでもないと思いますが、そう、核兵器のことです。

obviously you don't want them to go off.

誤って爆発してほしくないのは当然ですよね。

Well, I don't understand how this is going to keep nuclear weapons safe.

でも、これがどうやって核兵器を安全に保つのか理解できません。

Now, I want to come back to this device and explain how it works,

さて、このデバイスの話に戻って仕組みを説明したいと思います。

once we understand why compliant mechanisms are best suited to this task.

コンプライアント機構がこの用途に最適な理由を理解した上でです。

That's cool.

それはすごいですね。

So let's start with something basic.

では基本的なことから始めましょう。

Probably the first compliant mechanism I ever designed was this thing.

私が設計した最初の適応機構はおそらくこれです。

What it is, is a compliant mechanism that is a gripper.

これは適応機構式のグリッパーです。

So you can put something in there and it'll get actually a really high force.

何かを入れると、実際に非常に大きな力が発生します。

I can put that in there and it breaks the chalk.

これを入れるとチョークが割れます。

What if you put your finger in there and squeeze it?

もし指を入れて絞ったらどうなると思いますか？

You would scream in pain.

悲鳴を上げるほど痛いはずです。

Would you like to try?

試してみたいですか？

I would.

はい。

Like, I would actually like to feel the force.

実際に力を感じてみたいんです。

You need to squeeze it yourself, though.

でも自分で絞る必要があります。

Really?

本当に？

Well, all right, I'll squeeze until you scream in pain.

よし、わかりました。あなたが悲鳴を上げるまで絞ります。

That very quickly got incredibly painful.

すぐにものすごく痛くなりました。

It felt like having my finger in a vice.

指がバイスに挟まれているような感覚だった

That looks suspiciously like vice grips,

まるでバイスグリップみたいに見えるね

but now with these flexible components, where the hinges are.

だけど今は柔軟な部品があり、そこがヒンジの役割を果たしている

What I learned in my visit with Professor Howe is that compliant

ハウ教授を訪ねて分かったのは、コンプライアント機構には

mechanisms have a number of advantages over traditional mechanisms.

従来の機構に比べて多くの利点があるということです。

But I thought he needed kind of a clever, pithy way to remember all of these advantages.

でも、これらの利点をすべて覚えやすい工夫が必要だと思った

So I came up with the eight P's of compliant mechanisms.

そこでコンプライアント機構の8つのPを考案した

And the first of those is part count.

最初のものはパーツ数だ

Compliant mechanisms have reduced part count because they have these bendy parts.

コンプライアント機構は曲げられる部品があるため、パーツ数が少なくなる

Instead of having things like hinges and bearings and separate springs,

ヒンジやベアリング、別の部品としてのバネがある代わりに

this gripper is just a single piece of plastic,

このグリッパーはプラスチックの一つの部品でできている

but achieves a similar result to the much more complicated vice grips.

だがはるかに複雑なバイスグリップと同じような結果を実現している

Like, how much does it amplify the force?

例えば、力をどのくらい増幅できるのか？

This will get about 30 to one.

これは約30倍になる

So I can get, for one pound force in, get 30 pounds out.

つまり1ポンドの力を入れると、30ポンドの力が得られる

That's pretty good.

かなりいいね

It seems like that would be super cheap.

すごく安いと思われるだろう

And really inexpensive.

本当に低コストだ

So this we just made here in our shop,

これはうちのショップで作ったんだが

but you can imagine also injection molding that.

射出成形することも想像できる

That would cost like cents.

それは数セントの費用で済む

Yep, this would cost cents.

ああ、これは数セントで済むね

The other thing is because of its shape,

もう一つは、その形状のため

you could extrude it and then just chop them off.

押し出して、あとは切り離すだけだ

That would be cool.

それはいいね

So the simple design allows different production processes to be used,

シンプルな設計なので、異なる生産プロセスを使用できる

which lowers the price.

それが価格を下げる

These switches, for example, achieve in one piece of plastic,

例えば、これらのスイッチは、プラスチックの一つの部品で実現している

what is normally done with springs, hinges, and many rigid plastic pieces.

通常はバネ、ヒンジ、多くの硬いプラスチック部品で行われることを

Also a good fidget device.

また、いいフィジェットデバイスでもある

How long can these last?

これはどのくらい持つのか？

We've had these in our fatigue testing machine.

疲労試験機にはこれらを使ってきました。

We've been able to go over a million cycles without failure.

100万サイクル以上失敗することなく持ちこたえることができた

What do we got there?

そこに何がある？

All right, Derek, I've got a quiz.

よし、デレク、クイズがあるんだ

A quiz for you, okay?

君へのクイズだ、いいかな？

Elephant.

象

I'm gonna, very good.

やるよ、いいね

Okay, I'm gonna push on the elephant's rump this direction, okay?

よし、象のお尻をこっちに押すからね、いい？

I'm gonna hold this and that little dot right there,

これを持って、あの小さな点をここに

is that dot, when I push on it,

このドットを押したとき

is it gonna go left, right, up, or down?

左、右、上、下のどちらに動くと思う？

I just, you know what?

あ、実は

I wanted to guess without even thinking about it.

何も考えずに直感で言いたいんだ

Please do.

ぜひ

I'm gonna say like up and in.

上と奥に動くと思う

Okay.

なるほど

And I kind of feel like that,

そう思うのは

because like that would be a logical way for an elephant to hold its trunk.

象が鼻を持つ自然な方向だからね

But also because like if this is all going over,

それにこれ全部がこっちに来るなら

I feel like this is going to kind of extend there,

ここが伸びるような感じがして

and that's going to get pushed up in there.

そこに上に押されるんじゃないかな

Ah, good thinking.

ああ、いい推論だ

Well, I don't know, is that good thinking?

え、でも、本当にそうかな？

Well, it's thinking at least.

まあ、考えてはいるね

This is designed so that when you push on that,

これはね、ここを押したときに

it actually just rotates in space.

空間上で回転するだけなんだ

It doesn't move at all.

全く動かないんだよ

I knew you were going to pull something.

何か仕掛けがあると思ってた

It's a trick question.

ひっかけだったわけ

Now since I was fooled by it,

僕がそれにひっかかったから

I had to try it out on my friend, the physics girl.

今度は友人のフィジクスガールに試してみたんだ

That's so trippy.

すごい不思議

That is so cool.

めっちゃかっこいい

I don't understand, what?

どういうこと？

It's modeled after the mechanisms you use in wind tunnels,

これは風洞実験で使う機構をモデルにしてるんだ

where you want to have say a model that's attached here,

モデルをここに取り付けたいけど

but then you move it and all you want to do is control its angle,

それを動かすときは角度だけコントロールしたくて

and not move it around in the wind tunnel.

風洞内で位置は動かしたくないんだ

Don't displace it, but be able to change the angle.

位置は変えず、角度だけ変える

Devices like this demonstrate that compliant mechanisms

このような装置は、柔軟な機構が

are capable of producing very precise motion,

非常に正確な動きを生み出せることを示してる

which I personally found pretty counterintuitive,

それは個人的には直感に反するんだけど

because these objects are made up of flexible parts.

これらのものは柔軟な部品からできてるからね

But maybe that shouldn't be surprising,

でも驚くべきじゃないかもしれない

because compliant mechanisms don't suffer from backlash, for one thing.

柔軟な機構はバックラッシュがないからね

So backlash occurs when you have a hinge,

バックラッシュはヒンジがあるときに起こる

which is basically just a pin in a hole,

基本的には穴の中のピンだけど

and it's moving in one direction.

一方向に動いてる

And now if at some point the motion reverses,

そしてある時点で動きが逆になると

it doesn't happen instantaneously because there's some give in the hinge.

ヒンジに遊びがあるため、瞬間的には動きません。

This also causes wear and requires lubricant,

これは摩耗を引き起こし、潤滑剤が必要になります。

and that is why compliant mechanisms have better performance

だからコンプライアント機構は優れた性能を持つのです

than their traditional counterparts.

従来のメカニズムよりも。

This one, though, is my favorite.

でもこれが僕の一番のお気に入りです。

That is one of my favorites, too.

それも僕のお気に入りの一つです。

It's just so pleasing, right?

本当に気持ちいいですよね。

Oh, that sound is so satisfying.

あ、この音、すごく心地いいです。

This actually, believe it or not,

これは実は、信じられないかもしれませんが

was inspired when we were doing things at the microscopic level,

マイクロレベルで研究をしていた時にインスピレーションを得ました。

where we're building compliant mechanisms on chips.

チップ上にコンプライアント機構を構築していました。

We had to be able to make these compliant mechanisms out of silicon,

シリコンからこれらのコンプライアント機構を作る必要がありました。

which is as brittle as glass.

ガラスと同じくらい脆いものです。

And if you're trying to make something like this out of glass,

そしてガラスからこういった物を作ろうとしたら

right, it's crazy hard.

本当に大変なんです。

But that also means, once we figured out the design,

でも設計さえ分かれば

we could make it in a material even like PLA,

PLAのような素材でも作ることができるんです。

which is also not the ideal compliant mechanism material.

それはコンプライアント機構の理想的な素材ではありませんが。

So you can get on our website and get the files to make this yourself.

ウェブサイトでファイルを手に入れて、自分で作ることができます。

I'll put a link in the description.

説明欄にリンクを貼っておきます。

Yeah, that also has a nice feel and a nice snap to it.

ええ、これもいい感触で、いいスナップ感があります。

It has a really nice snap.

本当にいいスナップ感ですね。

I like when it comes out, it's like, gunk.

飛び出す時の感じが好きです。

You know, like there's something about that that's really, it's very pleasing.

何というか、それの何かが本当に気持ちいいんです。

So these things actually move?

で、これらは実際に動くんですか？

Oh yeah, yeah, yeah.

ああ、もちろん、もちろんです。

I need to see this.

見たいです。

Okay, all right, we'll do it.

いいでしょう、やってみましょう。

Were those etched on there?

それらはエッチングされたんですか？

Yeah, those are etched,

ええ、エッチングされています。

and so just using the same process as used to make computer chips.

コンピュータチップを製造するのと同じプロセスを使用しています。

So another advantage of compliant mechanisms

コンプライアント機構のもう一つの利点は

is that they can be made with significantly smaller proportions,

はるかに小さいサイズで作ることができるということです。

because they take advantage of production processes like photolithography.

フォトリソグラフィなどの製造プロセスを活用できるからです。

And we have motion that we want at the microscopic level.

そしてマイクロレベルで必要な動きを持つことができます。

That's brilliant.

素晴らしいですね。

Plus, since they simplify design,

さらに設計を簡素化するので

compliant mechanisms are much more portable,

コンプライアント機構はより軽量で携帯性に優れています。

meaning lightweight, which makes them perfect for space applications.

つまり軽量なので、宇宙応用に最適です。

This here is something we did with NASA making a hinge

これはNASAと一緒に作ったヒンジです。

that could replace bearings for, say, deploying solar panels.

たとえばソーラーパネルの展開など、ベアリングの代わりになるようなものです。

This is titanium, 3D printed titanium.

これはチタン、3Dプリント製のチタンです。

But what's freaky about it is you get that motion,

でも驚くべきなのは、この動きが得られることで、

which people expect, but there's a piece of titanium

人々が期待するような動きですが、このチタンの一部は

that can bend plus or minus 90 degrees, 180 degree deflection.

プラスマイナス90度、つまり180度の変形ができます。

That is solid titanium.

それは固いチタンです。

That is one piece of titanium that is 3D printed.

3Dプリントされた1つのチタンの塊です。

There's no alloy, nothing to make it flexible.

合金もなく、柔軟性を持たせるために何も加えられていません。

Yep, this is, yep, and even freakier than this is this guy right there.

ええ、そして、これよりもさらに驚くべきなのがこいつです。

So that looks like a crazy beast, but every part in there has a purpose.

これは奇妙に見えるかもしれませんが、その中のすべての部品には目的があります。

All these flexible beams.

これらはすべて柔軟性のあるビームです。

Here are the two inputs.

ここに2つの入力があります。

And again, we did this with NASA for a thruster application,

そしてこれはNASAと一緒にスラスター応用のために作りました。

where you can put a thruster right there.

スラスターをここに配置できます。

And now with our two motor inputs, we can direct that thruster in any direction.

2つのモーター入力により、スラスターをどの方向にでも向けられます。

That titanium device moves that, and you notice that it's just all bending.

そのチタンデバイスがそれを動かし、すべてが曲げ変形しているのに気づきます。

And then there's no pinch points for the fuel lines or electrical lines coming in.

燃料ラインや電気ラインが挟まる場所がありません。

Here, this single piece of titanium allows you to use one thruster in place of two.

この単一のチタン部品により、2つの代わりに1つのスラスターを使用できます。

Okay, that is a clutch.

これはクラッチです。

So the idea is, if you spin it up really fast,

考え方としては、もし非常に高速で回転させると、

because it's flexible, this outer part will actually start coming outwards.

柔軟性があるため、この外側の部分が実際に外側に広がり始めます。

And then if there's a drum around it, it'll contact with that drum and spin that thing.

そしてその周りにドラムがあれば、それに接触してそれを回転させます。

Oh, so this like kind of, oh, that kind of comes out like so.

ああ、つまりこんな感じで、そう、こんな風に出てくるんですね。

And it gets spinning really fast.

そして非常に高速で回転します。

And then you essentially engage this outer drum.

その後、基本的にこの外側のドラムに接触させます。

So this is like the way that a chainsaw would work or something like that,

これはチェーンソーが動作する方法のようなものです。

because you get it spinning fast enough, and then it engages the chain,

十分な速度で回転させると、チェーンに接触して、

and then it turns it over.

その後、それを回転させます。

And then, yeah, wow, that's cool.

そしてそれは本当にクールです。

So here, this is made in plastic so that, you know, you can see it.

ここはプラスチック製なので、見えるようにしてあります。

But in reality, it's got to be a lot stiffer.

ですが実際には、もっとはるかに硬くする必要があります。

So here it is made in steel.

ここは鋼鉄製です。

So hang on, you're saying that that thing, which is made of steel,

ちょっと待ってください、つまり、鋼鉄でできたこの部品が、

you spin it up to a certain speed, and then it expands and engages it from that's around it.

一定の速度まで回転させると、膨張して周りのものに接触するということですね。

So idle with no motion, but then at a certain speed,

ですから動きなくアイドル状態ですが、一定の速度になると、

or what we designed it for, it'll speed up to that RPM.

または設計したそのRPMまで加速します。

You speed it up and it engages.

速度を上げるとそれが接触します。

Yep.

その通り。

I had no idea.

全く知りませんでした。

Like, I have learned something today.

今日は何か学べました。

So let's come back to the safing and arming device for nuclear weapons.

それでは、核兵器の安全化・起動装置の話に戻りましょう。

Its purpose is to ensure that no random vibrations, say from an earthquake,

その目的は、地震などによるランダムな振動が

inadvertently disable safeties and arm the nuclear weapon.

誤って安全装置を解除し、核兵器を起爆状態にしないようにすることです。

Now, one of the requirements was that this device be made as small as possible.

さて、要件の1つは、このデバイスをできるだけ小さくすることでした。

They had made those as small as they possibly could using traditional methods,

従来の方法でできる限り小さく作っていました。

even using things like what the Swiss watch manufacturers were using.

スイスの時計メーカーが使うような技術まで使ってです。

With compliant mechanisms, they produced a device out of hardened stainless steel,

コンプライアント機構を使い、硬化ステンレス製のデバイスを作りました。

where some components were the size of a human hair.

部品の中には人の髪の毛ほどの大きさのものもありました。

This is high speed video.

これは高速ビデオです。

Here, the device is operating at 72 Hertz,

ここでこのデバイスは72ヘルツで動作しています。

meaning this little hole makes two complete revolutions each second.

つまりこの小さな穴が1秒間に2回転するということです。

The way it's meant to work is an arming laser shines on the rotor wheel,

仕組みとしては、起爆用レーザーがローターホイールに照射され、

and when the proper input is given to the system, the wheel rotates a notch.

正しい入力がシステムに与えられると、ホイールが1目盛り回転します。

If all the proper inputs are given,

すべての正しい入力が与えられれば、

then the hole lines up with the laser beam and crazy things happen from there.

穴がレーザービームと一直線になり、そこからとんでもないことが起こります。

So it is essential that this device's performance is perfectly predictable,

だからこのデバイスの動作は完全に予測可能でなければなりません。

even if it sits unused in a silo for decades.

たとえ何十年もサイロの中で使われずに眠っていたとしてもです。

So, um, are these now being used on nuclear weapons?

では、これらは今、核兵器に使用されているのですか？

You know, it turns out they don't tell us what they do with their nuclear weapons,

実は、核兵器をどう扱うかは私たちには教えてくれないんです。

and so we designed them, we made prototypes, we tested them,

だから私たちは設計し、試作品を作り、テストします。

and then it goes what they call behind the fence,

その後は彼らが言う「フェンスの向こう側」に渡り、

and where it's all classified, and you know, we don't know what happens, so.

そこはすべて機密扱いなので、その先どうなるかは分からないんです。

Hey, this episode was supported by viewers like you on Patreon,

さて、この回はPatreonの視聴者の皆さんの支援を受けています。

and by SimpliSafe, incredibly effective, reliable home security.

そしてSimpliSafe、非常に効果的で信頼できるホームセキュリティにもです。

Now, I started thinking seriously about home security

実は、ホームセキュリティについて真剣に考え始めたのは

one day when there was this police helicopter circling overhead,

ある日、上空を警察のヘリコプターが旋回していて、

and it turned out that the house across the street had been broken into.

向かいの家に泥棒が入ったと分かった時でした。

SimpliSafe makes it easy to protect your home.

SimpleSafeを使えば、簡単に自宅を守ることができます。

They sent me a kit, including a base station, camera, and multiple sensors,

ベースステーション、カメラ、複数のセンサーを含むキットを送ってくれました。

and the setup was simple, it only took me about an hour to complete.

設置はシンプルで、完了までわずか1時間ほどでした。

The system is monitored by professionals 24-7,

このシステムは専門スタッフによって24時間365日監視されていて、

and they can call you or send police in the event of a break-in,

侵入があった際には電話をくれたり警察を派遣してくれたりします。

so it's easy and intuitive to use.

だから使い方も簡単で直感的です。

There's also these thoughtful features that are built in,

さらに、こんな気の利いた機能も組み込まれています。

for example, it reminds you if you left the door open.

例えば、ドアを開けっぱなしにしていると知らせてくれます。

Pricing is fair and honest, with no contracts or hidden fees,

料金は公正で明確、契約や隠れた費用もありません。

and it's equipped for worst-case scenarios,

最悪の事態にも備えていて、

like if the Wi-Fi goes down or the power is out, it still works.

Wi-Fiが落ちても停電になってもちゃんと動作します。

So to find out more, go to simplisafe.com slash veritasium.

詳しくは、simplisafe.com/veritasiumにアクセスしてください。

I want to thank SimpliSafe for supporting Veritasium,

VeritasiumをサポートしていただいたSimpleSafeに感謝したいと思います。

and I want to thank you for watching.

そしてご視聴ありがとうございました。