より安全、ソフトなロボットのために人工「筋肉」を作る

August, 9, 2024, Evanston--ノースウェスタン大学のエンジニアは、人間の筋肉のようにロボットを伸縮させることで動かす、新しく柔らかく柔軟なデバイスを開発した。

アクチュエータと呼ばれる新しいデバイスを実証するために、研究チームはそれを使用して、円筒形の線虫のようなソフトロボットと人工の上腕二頭筋を作成した。実験では、円筒形のソフトロボットが細いパイプのような環境の狭いヘアピンカーブをナビゲートし、上腕二頭筋は500グラムの重りを5,000回連続で失敗することなく持ち上げることができた。

研究チームは、一般的なゴムを使用してソフトアクチュエータの本体を3Dプリントしたため、結果として得られるロボットの材料費は、アクチュエータの形状変化を駆動する小さなモーターを除いて、約3ドルの費用がかかった。これは、ロボット工学で使用される典型的な硬くて剛性の高いアクチュエータとは対照的であり、多くの場合、数百ドルから数千ドルの費用がかかる。

研究者によると、この新しいアクチュエータは、安価で柔らかく、柔軟性のあるロボットの開発に使用できるため、実際のアプリケーションにとってより安全で実用的である。

研究成果は、学術誌「Advanced Intelligent Systems」に掲載された。

「ロボット工学者たちは、ロボットをより安全にするという長年の目標に突き動かされてきた。柔らかいロボットが人に当たったとしても、硬く強力なてロボットにぶつかるほどのことはない。われわれのアクチュエータは、人間中心の環境でより実用的なロボットに使用できる。また、安価であるため、歴史的にコストがかかりすぎた方法で、より多くの製品を使用できる可能性がある」と、この研究を主導したノースウェスタン大学のRyan Trubyはコメントしている。

Trubyは、ノースウェスタン大学マコーミック・スクール・オブ・エンジニアリングの材料科学・工学および機械工学のJune and Donald Brewer Junior Professorであり、ロボティック・マター・ラボを率いている。Trubyの研究室のポスドク研究員で、論文の筆頭著者、Taekyoung Kimが研究を主導した。機械工学Ph.D、Pranav Kaarthikもこの研究に貢献した。

「生き物のように振る舞い、動く」ロボット
固いアクチュエータは長い間ロボット設計の基盤だったが、柔軟性、適応性、安全性が限られているため、ロボット技術者は代替としてソフトアクチュエータを模索している。ソフトアクチュエータを設計するために、Trubyと同氏のチームは、収縮と硬さを同時に行う人間の筋肉からインスピレーションを得た。

「筋肉のように動く素材をどうやって作るか。それができれば、生き物のように振る舞い、動くロボットを作ることができる」(Truby)。

新しいアクチュエータを開発するために、チームはゴムから「手剪断オーセチック」(HSA)と呼ばれる円筒形構造を3Dプリントした。製造が困難なHSAは、複雑な構造を具現化し、独自の動きと特性を可能にする。たとえば、捻れると、HSAは伸びたり膨張したりする。TrubyとKaarthikは、過去にロボット用に同様のHSA構造を3Dプリントしたが、高価なプリンタと硬質プラスチック樹脂を使用する必要があった。その結果、以前のHSAは簡単に曲がったり変形したりができなかった。

「これを機能させるためには、HSAをより柔らかく、より耐久性のあるものにする方法を見つける必要があった。われわれは、より安価で入手しやすいデスクトップ3Dプリンタを使用して、ゴムから柔らかくて堅牢なHSAを製造する方法を見つけ出した」(Kim)。

Kimは、携帯電話のケースによく使用される一般的なゴムである熱可塑性ポリウレタンからHSAをプリントした。これにより、HSAはより柔らかく、より柔軟になったが、HSAをいかにねじって伸ばし、膨張させるかという課題が残っていた。

HSAソフトアクチュエータの以前のバージョンでは、一般的なサーボモータを使用して、材料を伸ばした状態と広げた状態にねじれていた。しかし、研究チームは、それぞれが独自のモータを持つ2つまたは4つのHSAを組み立てて初めて、成功した作動を達成した。この方法でソフトアクチュエータを構築するには、製造と運用上の課題があった。また、HSAアクチュエータの柔らかさも減少した。

改良されたソフトアクチュエータを構築するために、研究者たちは、1つのサーボモーターによって駆動される単一のHSAを設計することを目指しました。しかし、その前に、チームは 1 つのモーターのツイストを 1 つの HSA にする方法を見つける必要があった。

「パイプライン全体」の簡素化
この問題を解決するために、Kimは、変形可能な回転シャフトのように機能する構造に、柔らかく伸縮可能なゴム製のベローズを追加した。モーターがトルク(物体を回転させる動作)を提供すると、アクチュエーターが伸びた。モーターを一方向に回転させるだけで、アクチュエータが伸縮する。

「基本的に、Taekyoungはモーターを回すと筋肉のような動きを出すために、2つのゴム部品を設計した。この分野では、ソフトアクチュエータはより面倒な方法で作られてきたが、Taekyoungは3Dプリンティングでパイプライン全体を大幅に簡素化した。今では、どんなロボット技術者でも使って作ることができる実用的なソフトアクチュエータが手に入った」(Truby)。

蛇腹は、キムが自力で動く単一のアクチュエータから這うソフトロボットを構築するのに十分なサポートを追加した。アクチュエータの押し引き運動により、ロボットはパイプをシミュレートする曲がりくねった制約された環境を前進した。

「われわれのロボットは、1つの構造を使用してこの伸展運動を行うことができる。これにより、われわれのアクチュエータはより便利になる。と言うのは、アクチュエータはあらゆるタイプのロボットシステムに普遍的に統合できるからである」(Kim)。

欠けている部分:筋肉の硬化
結果として、ミミズのようなロボットはコンパクトで(長さわずか26㎝)、32㎝/分強の速度で前後に這い回った。Trubyによると、アクチュエータを完全に伸ばすと、ロボットと人工上腕二頭筋の両方が硬くなる。これは、以前のソフトロボットでは達成できなかったもう一つの特性だった。

「筋肉のように、これらのソフトアクチュエータは実際に硬くなる。たとえば、瓶の蓋をひねったことがあるなら、力を伝えるために筋肉が引き締まり、硬くなることを知っている。それは、筋肉が体が働くのを助ける方法である。これは、ソフトロボティクスでは見過ごされてきた機能。多くのソフトアクチュエータは使用時に柔らかくなるが、われわれのフレキシブルアクチュエータは動作するにつれて硬くなる」(Truby)。

TrubyとKimによると、その新しいアクチュエータは、より生体に触発されたロボットへのさらなる一歩となる。

「生物のように動くことができるロボットによって、従来のロボットではできなかったタスクを実行するロボットについて考えることができる」とTrubyはコメントしている。