流体力学を利用したソフトロボティクスを実現:柔軟な新システムを開発

流体力学を利用したソフトロボティクスを実現:柔軟な新システムを開発 テクノロジー

プリンストン大学の研究者たちは、空気で膨らませると予測可能な方法で形状が変化する「ファンシーバルーン」を使って、柔らかいロボットを作る新しい方法「バブルキャスティング」を考案しました。

この新しいシステムでは、液体ポリマーに気泡を注入して材料を凝固させ、できあがったデバイスを膨らませて曲げたり動かしたりします。

研究者たちは、この方法を使って、握る手、羽ばたくフィッシュテール、ボールを回収するスリンキーのようなコイルなどを設計・作成しました。

このシンプルで汎用性の高い手法は、2021年11月10日に学術誌「Nature」に掲載され、新しいタイプのソフトロボットの開発を加速させるものと期待されています。

従来の硬いロボットは、自動車の製造など、さまざまな用途に使われています。

化学・生物工学の助教授で本研究の主任研究者であるPierre-Thomas Bruns氏は、「しかし、これらのロボットは、人の手首を折らずに人の手を握ってどこかに移動することはできません。人間やトマトのような柔らかいものを扱うには適していないのです。」と述べています。

ソフトロボットは、より柔らかく、柔軟な素材を使用しているため、優しいタッチを必要とする用途に適しています。

将来的には、農産物の収穫や、ベルトコンベアからデリケートなものを掴み取ったり、身の回りの世話をしたりするのに使われるかもしれません。

また、リハビリ用のウェアラブルスーツや、心臓の鼓動を助けるために心臓に巻き付ける埋め込み型のデバイスなど、ヘルスケアの分野でも活躍するかもしれません。

ソフトロボットを設計する上での課題の一つは、ロボットの動きを左右する伸び縮みの制御です。

すべてのロボットには、アクチュエーターと呼ばれる動きを引き起こす部品があります。

関節によって動きが決まっている剛体のロボットとは異なり、ソフトロボットの素材は、無限の動きと広がりを持つ可能性を秘めています。

バブルキャスト法は、流体力学の基本法則(流体の物理学)を利用して、ソフトロボットのアクチュエータを簡単かつ柔軟に作ることができる方法です。

この方法では、エラストマーと呼ばれる液体ポリマーを使用します。

エラストマーは、硬化するとゴムのような弾力性のある素材になります。

このエラストマーを、ストローのような単純な形や、らせん状やフリッパーのような複雑な形の型に注入します。

次に、液状のエラストマーに空気を注入して、型の長さ方向に長い気泡を作ります。

重力のおかげで、気泡はゆっくりと上に昇り、エラストマーは下に流れていきます。

エラストマーが固まったら、型から取り出して空気を入れると、気泡のある薄い方が伸びて、厚い方の底面に巻き付くようになります。

「硬化前の水切り時間を長くすると、上部のフィルムが薄くなります。フィルムが薄いほど、膨らませたときの伸びが大きくなり、全体的に大きく曲がることになります。」と、筆頭著者で化学・生物工学の大学院生であるTrevor Jones氏は説明します。

研究者たちは、型を覆うエラストマーの厚さ、エラストマーが底に沈む速さ、硬化するまでの時間など、いくつかの要素をコントロールすることで、できあがったアクチュエーターの動きを決めることができます。

つまり、「流体力学が仕事をしているのです」とBruns氏は言います。

プリンストン大学の研究者たちは、バブルキャスティングを用いて、空気で膨らませたボールをつかんで持ち上げることができるソフトロボットを開発しました。

研究者たちは、ブラックベリーを優しく握る星型の「手」、筋肉のように収縮するコイル、さらには、システム全体を膨らませるとピアノを弾くように1本ずつ丸くなる「指」の鋳造に成功しました。

この論文では、空気を入れて膨らませることでアクチュエータを変形させていますが、他のソフトロボティクスシステムでは、磁場や電場、温度や湿度の変化などを利用しています。

今回の研究では、特定の動きをするソフトアクチュエータを設計するために、ロボットを膨らませたときにどのような動きをするかを解明することが大きな課題でした。

Bruns氏のグループの博士研究員であるEtienne Jambon-Puillet氏は、Jones氏と共同でシステムのコンピュータシミュレーションを行いました。

Jambon-Puillet氏は、「誰でも使える簡単な方程式を使って、何が起こるかを予測することができます。このチューブ状の素材を膨らませると何が起こるのか、今ではかなり理解できています。」と語ります。

バブルキャスティングの大きな利点は、3Dプリンターやレーザーカッターなど、ソフトロボティクスで一般的に使用される高価なツールを必要としないことです。

また、このシステムは拡張性があります。

数メートルの長さで、髪の毛ほどの細さである100ミクロンの形状のアクチュエーターを作ることができる可能性があります。

今回の研究には参加していない、スイスのローザンヌにあるスイス連邦工科大学のFrançois Gallaire教授(流体力学)は、「自然な流体の動きだけで構造体を形成するというアイデアは、非常に優れています。これらのプロセスは、非常に小さなものを含め、さまざまな大きさで機能するでしょう。一般的な製造方法でチューブを鋳造するのは非常に困難ですし、この方法は、非常に小さなチューブを作ることができる可能性があるのです。」と述べています。

柔軟性があるとはいえ、気泡鋳造には限界があります。

これまでのところ、研究者たちが気泡を押し出すことに成功したのは、エラストマーを充填した数メートルのチューブに限られています。

また、膨らませすぎると風船が破裂してしまいます。

「失敗すると、かなり致命的です。」とJones氏は言います。

今後は、このシステムを使ってより複雑なアクチュエーターを作り、新たな用途を探っていく予定です。

このグループは、歩くヤスデの足のように、連続した波状の動きをするアクチュエーターの設計に興味を持っています。

また、人間の心臓の鼓動を模して、1つの圧力源で交互に収縮と弛緩を繰り返すチャンバーを持つアクチュエーターを作ることも考えられます。

Jones氏は、「この問題は物理学のレベルでかなり理解しているので、これからはロボット工学を本格的に追求することができます。」と語っています。

本研究には、Jones氏の研究室の元博士研究員で、現在はフランスのエクス=マルセイユ大学に所属するJoel Marthelot氏も貢献しています。

Published by Princeton University. Pierre Brun, Bubble casting soft robotics, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04029-6.