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折り紙を束縛のないロボットと変形デバイスに応用

April, 15, 2021, Atalanta--Ohio State University およびGeorgia Institute of Technologyの研究チームは、束縛のないロボットや変形するデバイスなど、最新の工学アプリケーションにオリガミの可能性を拡張した。

チームは、多機能の磁気的に反応するオリガミシステムを初めて実証し、分散的、束縛のない制御機能を手に入れた。

研究者の予測では、この作動ソリューションは、複雑なオリガミアセンブリに局所的、遠隔的に適用できる。その作動戦略により、多くの新しいアプリケーションが可能になる。変形ロボットやサテライトからバイオメディカルデバイスまでである。

Ohio Stateの機械・航空宇宙工学部准教授Ruike (Renee) Zhaoは、「プログラムされた磁気ソフト材料を双安定オリガミアセンブリに分散的に組み込むことで、磁気作動は、瞬時形状ロックで、各ユニットセルの折り畳みと展開を独立制御できる。これにより様々なロボット動作、デジタルコンピューティング向けの可変物理特性や構成可能エレクトロニクスなどの機能が可能になる」と説明している。

研究成果は、Proceedings of the National Academy of Sciencesに発表された。

研究者は数十年、先進的工学アプリケーション、変形構造やデバイスなどで、オリガミ折り畳み技術利用法を研究してきた。しかし、ほとんどの作動法は、外部刺激との物理的結合を必要とし、オリガミ折り畳みの駆動には過度の配線となる。

新しい、束縛のないシステムは、硬く、相対的に大きな電源から自由になり、多機能構造の高速化、分散作動を可能にする。

これを実証するためにチームは、円筒形オリガミパタンで磁気反応材料のシステムを構築した。これは、Kreslingパタンとして知られる同じ三角パネルで構成されている。このパタンにより円筒の壁は、軸荷重、捻り荷重に屈する。

ジョージア工科大学土木・環境工学部Glaucio Paulino教授は、「Kreslingパタンには、非常に豊富なデザイン空間がある。これは、その機械的反応と磁気的反応材料を結びつけ、オンデマンド、束縛のない作動を達成する上で非常に重要だった。これには、われわれのデジタルコンピューティング向け多機能オリガミも含まれる」とコメントしている。

磁界を制御することで、チームは、材料の折り畳みと展開の方向、強度、スピードを制御することができた。テストでは、チームは、瞬時の形状ロックで束縛のない作動、1/10秒を達成した。

次に、研究チームは、Kreslingユニットセルに磁化されたプレートを取り付けた。これにより、2D磁界を使ってユニットセルを同時に、あるいは独立に作動させることが可能になる。プレートの別々の磁気トルク、各ユニットセルの区別できる幾何学的・機械的特性を使用している。

「マルチユニットKreslingアセンブリは、双安定折り畳みと展開がロボット動作を作るオリガミロボットである。それはパッシブに検知し、アクティブに外部環境に反応できる。オリガミロボットに電子回路を組み込むことで、さらに統合された作動、センシング、決定ができるインテリジェント自律ロボットが可能になる。例えば、ロボットに作用する外部圧力、力は、ロボットのパッシブな折り畳みを始動し、物体の存在を示す。ロボットは、次に、自ら展開し、次の動作を決定できる」(Zhao)。

束縛のない磁気制御は、オリガミシステムのアプリケーションの限界を押し広げ、次世代生体模倣ソフトロボットや、先端工学アプリケーション向けのロボットシステムのソリューションにつながる。

「報告した磁気オリガミシステムは、この研究の境界を超えて適用可能であるとわれわれは考えている。未来のオリガミからヒントを得たロボット、変形機構、生体医用デバイス、外部空間構造などだ」とPaulinoはコメントしている。

(詳細は、https://news.gatech.edu)