ゾウロボットがバイオインスパイアされた3Dプリンティング技術を実演

July, 25, 2025, Lausanne--EPFLの研究者は、単一のフォーム材料を使用して、柔軟な体幹から硬い骨まで、様々な生体組織を模倣する、ロボット工学用の3Dプリント可能でプログラム可能な格子構造を開拓した。

チーターの力強いスプリント、ヘビのしなやかな滑り、人間の巧みな握り方など、それぞれが柔らかい組織と硬い組織のシームレスな相互作用によって可能になる。筋肉、腱、靭帯、骨が連携して、動物界全体で見られる複雑な動きを実行するために必要なエネルギー、精度、可動域を提供している。

この筋骨格の多様性をロボット工学で再現することは非常に困難である。これまで、複数の材料を使用した3Dプリンティングは、軟質硬質ロボットを作成する1つの方法であり、このアプローチは生体組織の多様性を模倣するかも知れないが、剛性や耐荷重強度などの主要な特性をロボット構造全体で連続的に制御することはできないことを意味する。

今回、EPFLの工学部にあるComputational Robot Design and Fabrication Lab(CREATE)のJosie Hughesが率いるチームは、生体組織の多様性とロボットによる制御および精度を組み合わせた革新的な格子構造を開発した。シンプルな発泡材料で作られた格子は、様々な形状と位置を持つようにプログラムできる個々のユニット(セル)で構成されている。これらのセルは、100万を超える異なる構成をとることができ、組み合わせて無限の幾何学的バリエーションを生み出すことさえできる。

「われわれは、プログラム可能な格子技術を使用して、筋骨格にインスパイアされたゾウロボットを構築した。体幹は柔らかく、ねじったり、曲げたり、回転したりでき、股関節、膝関節、足関節もより硬くなっている」とポスドク研究員のQinghua Guanは話している。「これは、われわれの方法が、これまでにないほど軽量で適応性の高いロボットを設計するためのスケーラブルなソリューションを提供することを示している。」
この研究は最近、Science Advancesに掲載された。

2つのプログラミングディメンション。無限の幾何学的バリエーション
チームのプログラム可能な格子は、形状の異なる2つの主要なセルタイプ、すなわち体心立方体(BCC)セルとX-cubeを使用してプリントできる。各細胞タイプを使用してロボットの「組織」を3Dプリントすると、結果として得られる格子の剛性、変形、および耐荷重特性が異なる。しかし、CREATE Labの方法では、BCCとX-cubeの間のスペクトル上の任意の場所に形状を持つハイブリッドセルで作られた格子をプリントすることもできる。

「このアプローチにより、剛性プロファイルの連続的な空間ブレンディングが可能になり、ブレンドされたユニットセルの範囲が無限になる。特に、象の鼻のような筋肉器官の構造を再現するのに適している」と、博士課程の学生Benhul Daiはコメントしている。

科学者は、各細胞の形状を調節するだけでなく、格子内での位置をプログラムすることもできる。この 2 番目のプログラミング次元により、各セルをその軸に沿って回転およびシフト (移動) できる。細胞を互いに重ね合わせてまったく新しい細胞の組み合わせを作り出すこともでき、結果として得られる格子にさらに幅広い機械的特性を与えることができる。潜在的なバリエーションの規模を示すために、4つのセルが重なった格子立方体は、約400万の可能な構成を生み出すことができ、5つのセルに対して7,500万を超える構成が得られる。

防水性とセンサ対応
研究チームのエレファントモデルでは、このデュアルプログラミング機能により、スライディングプレーンジョイント(足の小さな骨に見られる)、屈曲する一軸ジョイント(膝に見られる)、双方向のベンディング二軸ジョイント(つま先に見られる)など、独自の可動範囲を持ついくつかの異なる組織タイプの作製が可能になった。チームは、ゾウの筋肉質な鼻の複雑な動きを再現することさえできた。さらに、ねじり、曲げ、回転の動きに特化した別々の格子セクションを設計しながら、それらの間のスムーズで連続的な移行を維持することもできた。

Hughesによると、発泡スチロールの材料を改良したり、新しいセル形状を取り入れたりするだけでなく、独自の発泡格子技術構造が将来のロボット研究に多くのエキサイティングな可能性を提供する。
「ハニカムのように、格子の強度対重量比は非常に高くなる可能性があり、非常に軽量で効率的なロボットが可能になる。オープンフォーム構造は流体中の動きに適しており、センサなどの他の材料を構造内に含めることで、フォームにさらなるインテリジェンスを提供する可能性さえも秘めている。」