プログラム可能な流体を作るために使用される小さなゴム球

卵やブルーベリーなどの繊細な物体を潰さずに拾うことができるロボットを構築するには、高度な視覚システムや人間の触覚をエミュレートするセンサーからのフィードを処理する多くの制御アルゴリズムが必要でした。 もう 1 つの方法は、ソフト ロボット工学の領域に飛び込むことでした。これは通常、強度と耐久性に限界のあるロボットを意味します。

今回、ハーバード大学の研究チームは、センサーや制御システムをまったく備えていない単純な油圧グリッパーを使用した研究を発表しました。 必要なのはシリコンオイルとたくさんの小さなゴムボールだけでした。 その過程で、彼らは圧力に対するプログラム可能な応答を備えたメタ流体を開発しました。

泳ぐゴム球

「私はフランスで球形の貝殻を泳がせる研究で博士号を取得しました。 泳がせるために、私たちはそれを崩壊させていました。 のように動きました [inverted] クラゲです」とハーバード大学ベルトルディ・グループの研究者であり、この研究の筆頭著者であるアデル・ジェロウリ氏は言う。 「私は上司に『この球を注射器に入れて圧力を上げたらどうなる？』と言いました。」 彼は、それは面白いアイデアではないし、何も起こらないと言いました」とジェロウリ氏は主張する。 しかし、数年後、何度か断られた後、ジェロウリは、ベルギーのルーヴェン大学の機械工学教授ベンジャミン・ゴリッセンに会い、彼と同じ興味を持っていました。 「私は実験ができ、彼もシミュレーションができたので、一緒に何か提案できると思いました」とジェロウリ氏は言います。 こうして、ジェロウリのゴム球はついに注射器に入った。 そして結果は全く予想外のものでした。

球体の半径は 10 mm で、厚さ 2 mm のシリコンゴムの壁が空気のポケットを囲んでいます。 それを３００ｍｌの水の入った容器に入れた。 容器内の圧力が上昇し始めると、球体は 120 kPa で座屈し始めました。 座屈が始まると、流体が占める体積は減少し続けたにもかかわらず、圧力はしばらくの間比較的安定したままでした。 球体が入った液体はもはや水のように振る舞うことはなく、圧力/体積曲線に顕著なプラトーが見られました。 「メタ流体（自然界には存在しない調整可能な特性を持つ液体）は、負の屈折率を持つ液体を実現したいと考えていたフェデリコ・カパッソらによって理論化されました。 当時、彼らは光学から始めましたが、このゴム球を入れた水の挙動を観察すると、私たちが持っているのはメタ流体であることがわかりました」とジェロウリ氏は言います。

プログラム可能な流体の混合

単一のゴム球を水の中に入れることは単なる出発点にすぎませんでした。 「私は常に頭の片隅にこの考えを持っていました。たとえば、たくさん入れたらどうなるでしょうか？」 ジェロウリはアルスに語った。 そこで彼のチームは、媒体内の球体のサイズと数を変えたり、シリコン オイルなどのさまざまな媒体を使用したりする実験を開始しました。 「球体の半径と壁の厚さを変更することで、球体が作動する圧力を調整できます。 球体を厚くすると、座屈させるためにより多くのエネルギーが必要になり、その結果、作動圧力が高くなります」とジェロウリ氏は説明します。

メタ流体に必要な特性をプログラムするために変更できるパラメータは他にもあります。 これらには、体積分率 (基本的には流体の総体積のうち球体が占める割合) と、サイズや厚さの異なる球体をその中に入れると流体の挙動が異なるため、球体の構造が含まれます。 異なるプロパティを持つ球を混合して使用することでこれを調整することもできます。 「球体のサイズと厚さの変化が非常に狭い場合、球体が作動したときに圧力が非常に平坦なプラトーになるでしょう。 より広い分布を持っている場合、すべてがバックルなしからすべてがバックル付きへの移行がよりスムーズになります」と Djellouli 氏は言います。 球体の異なる混合物を使用すると、1 つの流体内に異なる圧力で複数のプラトーを作成することもできます。 「こうすることで、圧力と体積の曲線を正確に調整できます」と Djellouli 氏は付け加えます。

これらの曲線を調整することで、彼のチームはセンサーや制御システムを必要とせずに機能するスマートな油圧グリッパーを構築することに成功しました。