同誌に掲載された5月15日の論文で 物理的なレビューレターバージニア工科大学の物理学者らは、機敏でフレキシブルなロボットや薬物送達用の極小カプセルなどのソフトデバイスの性能を大幅に向上させる可能性がある微視的な現象を明らかにした。
この論文は、オランダのラドボウド大学の博士候補者チンメイ・カトケ氏、助教授のC・ナディール・カプラン氏、共著者のピーター・A・コレヴァール氏によって書かれたもので、ヒドロゲルの膨張と収縮を加速する可能性のある新しい物理メカニズムを提案している。 まず、これにより、柔軟なロボットの製造に使用されるゴムベースの材料がヒドロゲルに置き換わる可能性が開かれ、これらの製造材料が人間の手に近い速度と器用さで動くことが可能になる可能性があります。
ソフトロボットはすでに製造業で使用されており、手のような装置がコンベアベルトから品物を掴み（ホットドッグや石鹸を想像してください）、包装する容器に入れるようにプログラムされています。 しかし、現在使用されているものは、油圧や空気圧を利用して、物を持ち上げるための「手」の形状を変えています。
私たち自身の体と同様に、ヒドロゲルは主に水を含み、食品ゼリーやシェービングジェルなど、私たちの周りのあらゆる場所にあります。 カトケ氏、コレヴァール氏、カプラン氏の研究は、ヒドロゲルの膨張と収縮をより迅速に行える方法を発見したようで、これによりヒドロゲルの柔軟性とさまざまな環境で機能する能力が向上します。
生物は、植物の種子を破裂させて果実を散布したり、腸内で水を吸収したりするなどの活動に浸透を利用します。 通常、浸透とは膜を通過する水の流れであり、ポリマーのような大きな分子は通過できないと考えられています。 このような膜は半透膜と呼ばれ、浸透を引き起こすために必要であると考えられていました。
以前、Korevaar と Kaplan は、ポリアクリル酸で構成されるヒドロゲル フィルムの薄層を使用して実験を行っていました。 彼らは、ヒドロゲルフィルムは水とイオンの両方を通過させ、選択的ではないにもかかわらず、イオンがヒドロゲル内で放出されると浸透によりヒドロゲルが急速に膨張し、再び収縮することを観察しました。
Katke、Korevaar、Kaplan は、上記の観察を説明する新しい理論を開発しました。この理論では、ハイドロゲル内で放出されたイオンが不均一に広がると、イオンとポリアクリル酸の間の微視的相互作用によってハイドロゲルが膨張する可能性があるとしています。彼らはこれを「ハイドロゲルの拡散泳動膨張」と呼んでいます。さらに、この新しく発見されたメカニズムにより、ハイドロゲルはこれまで可能だったよりもはるかに速く膨張することができます。
その変化がなぜ重要なのでしょうか?
カプラン氏は次のように説明した。「ソフトアジャイルロボットは現在ゴムで作られており、「機能するが、その形状は油圧または空気圧によって変更される。空気や流体を送り込むためにこれらのロボットにチューブのネットワークを埋め込むのは難しいため、これは望ましくない」 。」
カプラン氏は、自分の手でどれだけさまざまなことができるか、そして神経ネットワークと皮膚の下のイオンの動きによってどれだけ速くそれができるかを想像してみてください、と語った。 ゴムと油圧機構はヒドロゲルである生体組織ほど多用途ではないため、最先端のソフトロボットは限られた数の動作しか実行できません。」
カトケ氏は、彼らが研究したプロセスにより、これまでよりも大型のソフトロボットにおいて、ヒドロゲルの形状が変化し、その後「これにより大幅に早く」元の形状に戻ることが可能になったと説明した。
現時点では、化学信号に十分迅速に反応して実用に耐えられるのは顕微鏡サイズのヒドロゲルロボットだけであり、より大型のロボットは形状を変えるのに何時間もかかるとカトケ氏は述べた。 新しい拡散泳動法を使用することで、1センチメートルほどのソフトロボットがわずか数秒で変形できる可能性があり、今後の研究が待たれる。
迅速に反応できるより大型の機敏なソフトロボットは、医療における補助器具、製造、捜索救助活動における「ピックアンドプレイス」機能、スキンケアに使用される化粧品、およびコンタクトレンズを改善する可能性がある。
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#物理学者がより高速でより柔軟なロボットへの道を提案
2024-05-17 20:56:12