粘性がソフトロボットの複雑な動作を可能にする

Nov 20, 2023

アンドリュー・コルセリ

カースティン・ピーターセン助教授率いるコーネル大学の研究チームは、ソフトロボットがより複雑な動きを実現できるようにする、流体駆動アクチュエータの新しくてシンプルなシステムを設計した。 研究チームは、これまでロボットの動きを妨げていたまさに粘性を利用してこれを実現した。

同研究室は、ロボットの機械的反射と環境を活用する能力を介して、ロボットの認知能力と行動を「脳」から身体に取り出す方法を模索していた。 明示的な計算の必要性が減ることで、ロボットはよりシンプルで堅牢になり、製造コストが安くなります。

「ソフトロボットは非常に単純な構造をしていますが、硬いロボットよりもはるかに柔軟な機能を持つことができます」とピーターセン氏は言う。 「それらは、究極の具体化されたインテリジェントロボットのようなものです。最近のソフトロボットのほとんどは流体駆動です。これまで人々は、エラストマーなどのロボット素材に機能を埋め込むことで、どのようにしてより高い利益を得ることができるかに注目していました。その代わりに、流体がその材料とどのように相互作用するかを利用することで、より少ないコストでより多くのことを実現するにはどうすればよいかを自問しました。」

従来、ソフトロボットの流体駆動アクチュエータは、均一に加圧された流体がエラストマーブラダーまたはベローズを流れるときに機能します。 主な問題点は、アクチュエータの内部の流れが粘性がある場合、圧力の均等化が異なり、アクチュエータの動きが鈍くなり、ロボットの速度が低下することです。

ピーターセン氏のチームは、同様のテンプレートから開始しましたが、一連のエラストマー ベローズを細いチューブで接続し、一対の平行なカラム内をすべて閉鎖システム内で走行させた点が異なります。 この方法により、拮抗的な動きが可能になります。 小さなチューブが粘性を引き起こし、圧力が均一に分散され、アクチュエータがさまざまな歪みや動作パターンに曲がります。 通常ならそれが問題となるところだが、チームはそれをアドバンテージに変えた。

筆頭著者の Yoav Matia は、アクチュエータの可能な動作を予測できるだけでなく、さまざまな入力圧力、形状、チューブやベローズの構成がそれらをすべて 1 つの流体入力でどのように達成するかを予測できる完全な記述モデルを開発しました。

「今日の不活性構造材料の役割は、将来の機械では大きく異なるでしょう」とマティア氏は語った。 「それは、物質、製造プロセス、およびシステムを支配する物理現象に有機的な物質に主体性と計算を組み込むことにあり、それらが物理的メカニズムと内部アーキテクチャを通じて独立して動作できるようにします。この研究は、制御を明示するための新しい拡張可能なフレームワークを表しています」材料ごとに、不活性な構造物が自らの役割を果たします。」

この技術を実証するために、チームは上部に 2 つのシリンジ ポンプを備えた 6 脚のソフト ロボットを構築しました。このロボットは、1 秒あたり 0.05 体の長さでしゃがんだり歩いたりします。

ソフトロボットの設計を自動化する

曲げたりねじったりできるソフトロボットの設計に役立つツール

「私たちは、将来のアプリケーションに向けてこれらのアクチュエータを設計できる完全な方法を詳しく説明しました」とピーターセン氏は述べています。 「例えば、アクチュエーターを脚として使用すると、1組のチューブをまたぐだけで、非常に幅広いスタンスのダチョウのような歩き方から、ゾウのような速歩に移行できることがわかりました。」

「これは基本的に、ソフトロボット工学のまったく新しい下位分野です」と彼女は付け加えた。 「その空間を探索するのは非常に興味深いでしょう。」

以下は Petersen 氏への Tech Briefs インタビューで、明確さと長さのために編集されています。

技術概要: 粘度を使用するきっかけは何ですか?

ピーターセン: ソフトウェア ロボットは、無限の自由度が役立つ特定のアプリケーションにとって非常に有利な新しい種類のロボットです。つまり、無限に移動する能力、物体の周囲を安全に移動する能力、および条件に準拠する能力です。外部の摂動などのこと。

ほとんどのソフト ロボットは流体駆動です。 これまで人々は「無限の自由度を持ちたいが、それを制御するのは非常に難しい」と言っていました。 ロボットをどこかに押したい場合は、別のタイプのコントローラーが必要になるため、私は非常に高度なコントローラーを持っていました。 そこで、近年の大きな焦点は、「複雑な制御をいかに単純化するか」という点にありました。 通常、人々はそのために材料に注目します。実際のドライバーがそれほど複雑にならないように、ポリマーに特別な制御を加えるにはどうすればよいでしょうか?

私たちはこう言いました。「これまで材料を見てきましたが、その代わりに流体を見てみましょう。そして、通常は粘性を避ける代わりに、粘性を調べてみたらどうでしょうか?」

技術概要: 6 脚ロボットの構築にはどのくらいの時間がかかりましたか? 直面した最大の技術的課題は何でしたか?

ピーターセン : アクチュエータの作り方を理解したら、ロボットを組み立てるのは数週間ほどでした。 それはとても簡単でした。 実際、ソフトアクチュエーターを使用しているため、安定させるのに最も時間がかかりました。

最も困難だったのはアクチュエータ自体でした。非常にローエンドの材料を使用してアクチュエータを作成できるかどうかを確認したいからです。 そして最終的に、私たちはそれから離れて、単に高級ポリマーで印刷して、この低い蛇腹を作っても機能するようにしようと言いました。

しかし、将来的には、家庭にあるローエンドの標準的なフィラメント印刷機で実際に印刷して、独自のアクチュエータを作成できるようにすることを検討しています。

技術概要 : 歩くこととしゃがむことは、ロボットの現在の 2 つの組み合わせです。 他に何を実現することを目指していますか？

ピーターセン ：本当に楽しみです。 非常に単一のドライバー (シリンジ ポンプ 1 つだけ) を使用して、任意の数のゲートを作成できるという概念です。 したがって、表面に応じてスタンプや歩行タイプを変更できる歩行ロボットの枠を超えて、平泳ぎができる水泳ロボットや、ゲート サイクルを逆にすると後退できる水泳ロボットを想像してください。 グリッパーを想像してみてください。 たとえば、ネジの周りにナットをねじ込むなどの連続的なモーションを作成しようとしたり、位置と時間の両方を制御できる高度なモーションが必要な場所に使用したりできます。

技術概要 : 今後の探査の計画は何ですか? 次のステップは予定されていますか?

ピーターセン : 現時点では、ある種の継続的なモーションしか生成できないため、動的に動きますが、一旦静止に戻ると、常に伸長または収縮の何らかのバージョンになります。 ロボットの先端が静止してしまうと、希望する場所に先端を配置することができなくなります。 したがって、これをバルブなどの従来のテクノロジーと組み合わせて、非常によく似たコントローラーを使用できるようにすることに興奮していますが、複雑さはさらに 1 レベル向上します。これにより、アクチュエーターのワークスペースのどこにでも静止位置を取得できるようになります。

技術概要：アイデアの実現や市場化を目指すエンジニアに何かアドバイスはありますか？

ピーターセン ： 忍耐。 優れたデモを実行し、それがうまく機能することを確認するには、驚くほど時間がかかります。 もちろん、夢を持って挑戦してください！