繊維の束を使って自然を模倣したロボット

繊維の束を使って自然を模倣したロボットテクノロジー
©Yale School of Engineering and Applied Science

タコの触手は様々な方向に動くことができますが、より正確な動きをするために硬い関節のような構造を作ることもできます。

イモムシは尺取虫のような動きで移動したり、体を丸めて外敵から逃れたりします。

このような能力があるからこそ、生物は形のない自然界で生きていけるのです。

しかし、このような流動的な動きをするロボットを作るのは困難でした。

しかし、ロボット研究者のチームは、テンシルジャミング(真空中で小さな繊維の束を相互作用させること)を利用して、ルービックキューブを扱ったり、瓶のキャップをねじったりできるほど器用なソフトロボットを開発した。ジョン・J・リー機械工学・材料科学准教授のRebecca Kramer-Bottiglio氏が率いる研究チームの成果は、本日、Science Advances誌に掲載されました。

エール大学の研究者たちのロボットは、エネルギーを機械的な動作に変換する装置であるアクチュエーターが、すぐに硬くなる繊維と組み合わされていることがポイントです。

Kramer-Bottiglio氏は、「複数のアクチュエーターを用いたロボットシステムでは、目的の身体形状や行動に応じてアクチュエーターのサブセットを作動させますが、私たちは、アクチュエーター表面の材料特性をパターン化して制御することにより、1つのアクチュエーターで多くの軌道を達成するという逆転のアプローチを開発しました。」と述べています。

一般的な空気圧式ソフトアクチュエータは、硬い素材の固定パターンを組み込んでいるため、膨らませたときにあらかじめプログラムされた一方向にしか動きません。

Kramer-Bottiglio氏の研究室の大学院生で、本研究の筆頭著者であるBilige Yang氏は、「ファイバージャミングを使えば、剛性を調整する繊維をアクチュエータの周囲に配置することができ、どの部分を硬くするかを変えることができます。」と述べています。

この繊維は、真空の力で詰まったときに、ロボットの異なる側面の剛性を高めることができます。

「円筒状のアクチュエーターの周囲の剛性を選択的に変化させることで、基本的にどの方向にも動くことができ、これは生物学的なシステムができることをシミュレートしています。これで、自然ができることを模倣することに一歩近づきました。」とYang氏は言います。

従来のロボットの把持1物をつかむ装置は、可動範囲が限られていました。

しかし、このテンシル繊維システムは、人間の手に似た器用な把持装置を作るのに十分な制御を可能にします。

ロボットの指にはそれぞれ繊維の束があり、それによって複数の種類の動きが可能になっています。

比較的小さな物を「つまむ動作」、凹んだ物の内側をつかむ「外向きの引っ掛け動作」、そして「ねじる動作」で、指の動きを表現しました。

この3つの把持モードを別々に使うことで、ルービックキューブをつまんだり、ボウルを持ち上げたり、瓶のキャップをねじったりすることができました。

テンシルジャミング繊維では、剛性のモードがコンマ1秒以下で変化します。

このような敏捷性は、研究者たちの次の目標である、このシステムを使って形状変化シートを作り、ロボットの表面の曲率をダイナミックに制御することにつながります。

Published by Yale University. Bilige Yang et al, Reprogrammable soft actuation and shape-shifting via tensile jamming, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abh2073
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