エンジニアは、セグメントに分割し、再組み立てし、運搬し、這うキャタピラ型のロボットを作成します

プリンストン大学とノースカロライナ州立大学のエンジニアは、古代の紙折りと現代の材料科学を組み合わせて、迷路を簡単に曲げたりひねったりできるソフトロボットを作成しました。

ステアリング装置によってロボットの剛性が高まり、柔軟性が損なわれることが多いため、柔らかいロボットは誘導が難しい場合があります。 プリンストン大学の博士研究員 Tuo Zhao 氏によると、新しい設計ではステアリング システムをロボットの本体に直接組み込むことで、こうした問題が克服されているという。

「再プログラム可能な電熱作動を備えたモジュール式多自由度ソフト折り紙ロボット」というタイトルの記事 出版された 5月6日 米国科学アカデミーの議事録研究者らは、モジュール式の円筒形セグメントからロボットをどのように作成したかについて説明しています。 セグメントは、独立して動作することも、結合してより長いユニットを形成することもでき、すべてロボットの移動および操縦能力に貢献します。 新しいシステムにより、柔軟なロボットは前進と後進を行い、荷物を拾い上げ、より長い編隊を組み立てることができます。

「モジュール式ソフトロボットの概念は、成長、修復、新しい機能の開発が可能な将来のソフトロボットについての洞察を提供することができる」と著者らは論文で書いている。

チャオ氏は、このロボットは移動中に組み立てたり分割したりできるため、このシステムは単体のロボットとしても群れとしても動作できると述べた。

同氏は、「各セグメントは個別のユニットになることができ、相互に通信し、命令に従って集合することができる」と述べた。 「簡単に分離できるので、磁石で接続しています。」

Zhao は、土木環境工学部およびプリンストン材料研究所の Glaucio Paulino の研究室で働いています。 マルガレータ・エングマン・オーガスティン工学教授であるパウリノ氏は、折り紙を医療機器から航空宇宙、建築に至るまで幅広い工学用途に応用する一連の研究を創設しました。

「私たちは、屈曲性と適応性の高いヒーターを備えた電熱作動によって実現される、バイオからインスピレーションを得たプラグアンドプレイのソフトモジュール式折り紙ロボットを開発しました」とパウリノ氏は語った。 「これは、オンデマンドで成長、治癒、適応できるロボットに応用できる可能性を秘めた、非常に有望なテクノロジーです。」

この場合、研究者らは、クレスリング パターンと呼ばれる折り紙の形状を特徴とする円筒形のセグメントからロボットを構築することから始めました。 このパターンにより、各セグメントがねじれて平らな円盤になり、拡張して円柱に戻ることができます。 このひねり、拡張する動きは、ロボットが這い、方向を変える能力の基礎となります。 円筒の一部を部分的に折りたたむことにより、研究者らはロボットのセグメントに横方向の曲がりを導入することができます。 小さな曲がりを組み合わせることで、ロボットは前進しながら方向を変えます。

仕事の最も困難な側面の 1 つは、ロボットの駆動と操縦に使用される曲げと折り畳みの動作を制御するメカニズムの開発でした。 ノースカロライナ州立大学の研究者がソリューションを開発しました。 彼らは、加熱すると収縮または膨張が異なる 2 つの素材 (液晶エラストマーとポリイミド) を使用し、それらをクレズリング パターンの折り目に沿って薄いストリップに組み合わせました。

研究者らはまた、銀ナノワイヤーネットワークで作られた薄い伸縮性ヒーターを各折り目に沿って設置した。 ナノワイヤ ヒーターに流れる電流がコントロール ストリップを加熱し、2 つの材料の異なる膨張によりストリップに折り目が生じます。 電流と制御ストリップに使用される材料を校正することにより、研究者は折り畳みと曲げを正確に制御してロボットの動きとステアリングを駆動することができます。

「銀ナノワイヤは、伸縮性導体を製造するための優れた材料です。伸縮性導体は、伸縮性ヒーターを含むさまざまな伸縮性電子デバイスの構成要素です。ここでは、曲げたり折りたたんだりする動作の作動機構として伸縮性ヒーターを使用しました」と Yong Zhu 氏は述べています。ノースカロライナ州立大学機械航空宇宙工学科のアンドリュー・A・アダムス特別教授であり、主任研究者の一人。

Zhu氏の研究室の博士研究員Shuang Wu氏によると、同研究室のこれまでの研究では、二重層構造を連続的に曲げるために伸縮性ヒーターが使用されていたという。 「この研究では、折り紙パターンを作動させるために、局所的で鋭い折り畳みを実現しました。この効果的な作動方法は、ソフトロボット工学のための（折り目のある）折り紙構造に一般的に適用できます。」とウー氏は述べた。

研究者らは、現在のバージョンのロボットでは速度が制限されており、次世代では移動速度を向上させることに取り組んでいると述べた。

趙氏は、研究者らは速度とステアリングの両方を改善するために、さまざまな形状、パターン、不安定性を実験する予定だと述べた。