ループやベンドを軽々と這い回るロボット、プリンストン大学

May, 31, 2024, Raleigh--プリンストン大学とノースカロライナ州立大学のエンジニアは、昔の紙の折り畳みと現代の材料科学を組み合わせて、迷路を簡単に曲り、ヒネったりできるソフトロボットを作成した。

プリンストン大学ポスドク研究員Tuo Zhaoによると、ソフトロボットは、ステアリング装置によってロボットの剛性が増し、柔軟性が損なわれることが多いため、誘導が困難な場合がある。新しい設計では、ステアリングシステムをロボットの本体に直接組み込むことで、これらの問題を克服している。

PNAS誌に掲載された論文で、研究チームは、モジュール式の円筒形のセグメントからロボットを作成した方法を説明している。セグメントは、独立して動作することも、結合してより長いユニットを形成することもでき、すべてロボットの移動と操舵の能力に寄与する。新しいシステムにより、フレキシブルなロボットは前後に這い回り、貨物を拾い上げ、より長いフォーメーションに組み立てることが可能。

「モジュール式ソフトロボットのコンセプトは、成長、修復、新機能の開発が可能な未来のソフトロボットへの洞察を提供することができる」と研究チームは論文に書いている。

Zhaoによると、このロボットは移動中に組み立てたり分割したりできるため、システムは1台のロボットまたは群れとして機能することが可能である。

「各セグメントは個別のユニットにすることができ、互いに通信し、コマンドに基づいて集結できる。簡単に分離できるので、磁石でつないでいる」(Zhao)。

Zhaoは、土木環境工学科とプリンストン材料研究所のGlaucio Paulinoの研究室で研究している。Margareta Engman Augustine工学教授のPaulinoは、医療機器から航空宇宙、建設まで、幅広い工学用途に折り紙を応用する一連の研究を生み出した。

「われわれは、非常に曲げやすく適応性のあるヒーターを備えた電熱作動によって実現される、生体にインスパイアされたプラグ&プレイのソフトモジュール式折り紙ロボットを作成した。これは非常に有望な技術であり、必要に応じて成長し、治癒し、適応できるロボットに応用できる可能性がある」(Paulino)。

このケースでは、研究チームはまず、Kreslingパターンと呼ばれる折り紙の形をした円筒形のセグメントからロボットを組み立てることから始めた。このパターンにより、各セグメントは平坦な円盤にねじれ、円柱状に膨張する。このねじれたり、大きくなったりする動きが、ロボットが這ったり方向を変えたりする能力の基礎となる。シリンダーの一部を部分的に折りたたむことで、チームはロボットセグメントに横方向の曲がりを導入することができる。小さな曲がりを組み合わせることで、ロボットは前進するにつれて方向を変える。

この作業で最も難しかったのは、ロボットの駆動や操舵に使用される曲げや折り畳みの動作を制御する機構の開発だった。ノースカロライナ州立大学の研究者がこのソリューションを開発した。加熱すると収縮または膨張する2つの材料(液晶エラストマとポリイミド)を使用し、それらをクレスリングパターンの折り目に沿って細いストリップに組み合わせた。また、チームは、銀ナノワイヤネットワークで作られた薄い伸縮性ヒーターを各折り目に沿って設置した。ナノワイヤヒーターの電流がコントロールストリップを加熱し、2つの材料の異なる膨張によりストリップに折り目が生じる。電流と制御ストリップに使用されている材料をキャリブレートすることで、研究チームは折り畳みと曲げを正確に制御して、ロボットの動きとステアリングを駆動することができる。

「銀ナノワイヤは、伸縮性導体を作製するための優れた材料である。伸縮性導体は、伸縮性ヒーターを含む様々な伸縮性電子デバイスの構成要素である。ここでは、伸縮性のあるヒーターを曲げたり折りたたんだりする動作の作動機構として使用した」(Yong Zhu)。同氏は、ノースカロライナ州立大学機械航空宇宙工学科のAndrew A. Adams特別教授であり、主任研究者の1人である。

Zhu研究室のポスドク研究員であるShuang Wuによると、同研究室の以前の研究では、二層構造を連続的に曲げるために伸縮性のあるヒーターを使用していた。「この研究では、折り紙のパターンを作動させるために、局所的で鋭い折り方を実現した。この効果的な作動方法は、一般的にソフトロボティクスの折り紙構造(折り目付き)に適用できる」(Wu)。

研究チームは、現在のバージョンのロボットは速度が制限されており、後の世代で移動を増やすために取り組んでいる。

Zhaoによると、研究チームは速度と操舵の両方を改善するために、様々な形状、パターン、不安定性を試すことも計画している。