★「機械」を使って「電気」を学ぶ？

　すごい理系玩具が登場しました。「スピントロニクス（Spintronics）」という商品です。キックスターターで約157USドル（予備パーツ込）＋送料47USドル≒200USドルをバック（支援）し、対価として受け取ったものです。Act1とAct2の２点セット。日本円で約26000円（当時レート）でした。海外では一般販売が開始されたようです。通販で入手できます（詳細は末尾）。
[1]Kickstarter: Spintronics; Build mechanical circuits by Paul Boswell


　箱を開けると、メカニカルな部品が、整然と並んでいます。機械装置の組立キットに見えますが、そうではありません。これは、「電気回路」を機械で表現することで、「目で見て、耳で聞いて、手で触って」電気を学べる、画期的な玩具なのです。


　例えば下の写真は、もっとも単純な回路です。左側の黄色の大きいパーツが「電池」、右の円柱状のパーツが「抵抗」です。両パーツをつなぐチェーンは、「電線」を表します。この機械ユニットには、実際に電気が流れるわけではありませんが、電気回路と同じ特性を持っているのです。


　実際の動作の様子を、以下の動画にまとめました。さまざまなパーツを組み合わせることで、いろいろな電気回路（と等価なメカニズム）を作ることができます。

★メカパーツだけど電気部品だ！

　「電池（バッテリー）」の端には、ヒモが付いています。これを引くと、内部のバネが巻かれます。この弾性エネルギーを使って、右にある円筒部分に駆動力が与えられます。「電池」といっても電源は使わず、物理的なエネルギーのみで動作します。


　電池の駆動力は、チェーンを経て、ほかのパーツ（ここでは「抵抗」）に伝達されます。「抵抗」の内部にはオイルが入っており、摩擦力（粘性せん断抵抗）によって、チェーンの動作を妨げるようになっています。結果的に、チェーンは一定の速度で駆動されることになります。


　チェーンは「電線」を表現しています。小さいピースをつなげることで、自由な長さに調整できます。青いピースを途中に挟むと、チェーンの移動を観察しやすくできます。


　ほかにも、電流のオンオフを制御する「スイッチ」、電流の強さを耳で聞ける「電流計」など、さまざまなパーツが付属します。上級編の「Act２」では、電流を増幅する「トランジスタ」まで登場します！

★ストーリーブックで問題に挑戦しよう

　「スピントロニクス」では、ストーリーブック（英語）が付属します。この中に、指示された回路を作る問題（パズル）が入っています。


　各問題では、図に示された状態の回路からスタートします。ここに、指示された部品を加えて、目的を満たす回路を完成させます。例えば下の写真では、元の回路に抵抗とチェーンを１個ずつ加えて、２つの抵抗が「直列つなぎ」された回路を作ります。


　これが正解。２つの抵抗（500オームと1000オーム）が直列につながって、より大きな抵抗を形成します。


　最初は簡単な問題で、使用する部品の種類も数も少ないです。回が進むごとに、新たなパーツが登場します。初回登場時には、パーツの構造が描かれていて、テンションが上がります。


　こうして、少しずつ、複雑で大規模な回路に挑戦していきます。ステップバイステップで、無理なく楽しめると思います。

★聞いて、触って、電気を感じよう！

　下の写真の蓄音機のような形状のパーツが「電流計」です。この電流計は、チェーンの速度が増すほど、大きな、音程の高い音を出します。チェーンの動きの早さを「目」で見るのに加えて、「耳」でも、電流の強弱を感じることができるのです！


　「電圧計」もあります。こちらは、針が振れることによって、その場所にかかる電圧を知ることができます。電圧計の代わりに、直接「指」で回転を止めることでも、電圧を感じることができます。つまり、電圧が大きいほど、回転を抑えるのに必要な力が大きくなるのです。


　「電脳サーキット（スナップサーキット／Snap Circuits）」など、電気回路をつくる科学玩具は、数多く存在します。しかし、電流や電圧は、目に見えず、イメージしにくいのが難点です。この「スピントロニクス」は、それらを実際に「感じる」ことが可能な点で、たいへん優れた科学玩具だと思います。

★さらに複雑な回路に挑戦しよう！

　チェーンでの接続は、基本的にどうつなげても「直列つなぎ」になります。下の写真は、電池に対して対称に２つのチェーンが出ていて、いっけん「並列つなぎ」です。しかし、２つのチェーンの移動速度は必ず同じになるため、これは電気回路的には「直列つなぎ」なのです。


　では、どうやって「並列つなぎ」を実現するのか。その場合、「ジャンクション（分岐器）」という特別なパーツを使います。遊星歯車を備えた、メカメカしいパーツです。


　これが並列つなぎです。遊星ギアの作用で、つながれた２つの抵抗のチェーンが、独立した速度で回転できます。試しに一方の抵抗を指で止めても、他方は影響を受けず、そのまま回転します。


　たくさんのパーツを組み合わせれば、さらに複雑な回路をつくれます。台座（ベース）は自由につなげることができ、パーツはマグネットで台座に固定されます。自由に配置を変更して、思いついた回路を、すぐに試せます。

★まとめ：さらに複雑な回路に挑戦しよう！

　機械で電気を学ぶ科学玩具「スピントロニクス」。実際に子供たち（娘12歳、長男８歳、次男６歳）と遊んで、良かった点・悪かった点を書きます。

◎素晴らしい点

• 電気の可視化。これまでの電気回路おもちゃでなし得なかった、「電気を体感で学ぶ」試みに成功している。目で見るだけでなく、耳で聞いて、手で触れて、電流や電圧を体感できる。画期的な、素晴らしい商品だ。
  
• 創造力を呼び起こす。ひとめ見て「これは何だ？」と思い、説明を受けて「なるほど」と思う。しかし実際に触ってみると「どうなってるんだ？」と考えて、いろいろ試した後に、また「なるほど」と思う。実際に目で見て、手を動かして、結果をフィードバックして、もう一度試してみる。それはまさに「科学的手法」そのものだ。私たちの持つ創造力をかきたてて、形にして表し、新たな挑戦を提示してくれる。まさにこれこそ、求めていた科学玩具だ。
  
• 扱いやすさ。電池不要。各パーツは、マグネットでベースに自由に固定できる。簡単に長さを調整できるチェーン。組み替えが用意で、思いついた回路を、すぐに試せる。かきたてられた創作意欲を削ぐことなく、きわめて自然に形にすることができる。繊細そうに見えるが、わりと丈夫。小さい子供（長男８歳、次男６歳）が扱っても、今のところ問題ない。
  
• パーツのデザイン。ひとつひとつのパーツのデザインが凝っている。機能的でありながら芸術的でもある。特に複数の歯車がかみ合う「ジャンクション」は、外観もよく、手で回すだけでも楽しい。冊子に記載された各パーツの構成図も、製品の魅力を高めている。
  
• 電気と機械のアナロジー。電気回路の方程式と機械系の運動方程式の対応は、振動工学ですでに学んでいた（追記参照）。しかしそれは、あくまで「数式」の話。実際に電気系と機械系を、こうもスマートに融合させた「スピントロニクス」に出会い、激しい衝撃を受けた。これは本当に、画期的な商品だと思う。

◎気になる点

• パズル問題。ストーリーブックの問題には、やや難しいものがある。特に、後半になると、電気回路とは関係のない、メカニカルな特性を主題にした問題がある（歯車による増速・減速回路など）。「機械で電気を学ぶ」主題から外れて、子供たちは混乱してしまうのではないか。
  
• 付属物品。もっとも基本的なパーツである「抵抗」が、値の違う３種類が１個づつしか付属しない。電気回路的な実験を楽しむには、同じ値の抵抗が２つ必要なことが多い。パーツ構成に配慮してほしかった。
  
• ストーリー。時計職人の子供がスピントロニクスを発明する話なのだが、問題と一切関係がない。パズルとストーリーをうまく絡められれば、いっそう魅力が増したのでは。
  
• テキストが英語。図解があるものの、子供たちが独力で遊ぶには、難しいと感じた。

◎総評：期待以上。

※期待以上／期待通り／失敗した、の３段階評価。






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（追記）2023/6/8

　2023/6時点で、英語その他の海外版のみが入手可能です。公式サイトのショップ[A1]で、日本国内への発送も可能なようです。アクト１のみで約１万円、１＆２セットで約２万円です。送料別。補修用パーツも揃っています。

[A1]Upper Story: Store - Spintronics

（補足）

　実際の電気回路とスピントロニクスには、以下のような対応が成り立ちます。
・電圧v[V]→力（トルク）τ[N・m]
・電流i[A]→チェーンの移動速度（回転数）ω[rad/s]
・抵抗R[Ω]→粘性抵抗C[N・m/(rad/s)]
・コンデンサC[F]→ばねK[N・m/rad]
・コイルL[H]→質量（慣性モーメント）J[kg・m^2]

　系を支配する方程式は、以下のように対応しています。
・電気回路（ＬＣＲ回路の関係式）
　v=L(di/dt)+Ri+(1/C)∫idt

・スピントロニクス（回転系の運動方程式）
　τ=J(dω/dt)+Cω+K∫ωdt

　以上の対応から、スピントロニクスは、電気回路をメカで等価に表現できるのです。この対応は、振動系の工学的な扱いでは、よく知られている知見です。しかし、この対応はもっぱら数式上だけで行われるのが普通です。それを実際の物品として表現したのが、スピントロニクスの画期的なところです。

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