ソフトロボットの新しい発展が、完全にワイヤレスなソフトロボットの実現に一歩近づいた

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学学校（SEAS）とカリフォルニア工科大学（Caltech）の研究者は、折り紙をモデルにした新しいソフトロボティックシステムを開発しました。これらの新しいシステムは、外部からの刺激に応じて動き、形状を変えることができます。この新しい発展は、完全にワイヤレスなソフトロボットの実現に一歩近づいたものです。現在のソフトロボットは、外部からの電力と制御を必要とします。そのため、オフボードシステムのハードコンポーネントに接続する必要があります。

この研究は、サイエンスロボティクスに掲載されました。ハーバード大学SEASのハンスジョルグ・ワイス教授で、研究の共同リード著者であるジェニファー・A・ルイスは、新しい発展について話しました。

「3Dプリンティングされたオブジェクト内にアクティブな材料を統合する能力により、まったく新しいクラスのソフトロボティック物質の設計と製造が可能になります」と彼女は述べました。

研究者は、折り紙をモデルにした多機能ソフトロボットを作成しました。折り紙は、順序付けられた折り方によって、単一の構造内で複数の形状と機能に変化することができます。研究チームは、熱に反応して形状を変えることができる液晶エラストマーを使用しました。チームは、3Dプリンティングを使用して2種類のソフトヒンジを取得しました。これらのヒンジは温度に応じて折り畳み、特定の順序で折り畳むようにプログラムすることができます。

アーダ・コティカンは、SEASとハーバード大学大学院の大学院生であり、論文の共同第一著者です。

「私たちの3Dプリンティングアクティブヒンジの方法では、温度反応、ヒンジが発揮できるトルクの量、曲げ角、折り畳み方向について、完全なプログラム可能性を持ちます。私たちの製造方法により、これらのアクティブなコンポーネントを他の材料と統合することが容易になります」と彼女は述べました。

コナー・マクマホンは、カリフォルニア工科大学の大学院生であり、論文の共同第一著者でもあります。

「ヒンジを使用することで、ロボットの機能をプログラムし、ロボットがどのように形状を変えるかを制御することが容易になります。ソフトロボットの全体が予測できない方法で変形するのではなく、構造のわずかな領域が温度の変化に反応するようにプログラムするだけで済みます」と彼は述べました。

研究者は、複数のソフトデバイスを構築しました。これらのデバイスの1つは、接続されていないソフトロボット「ロールボット」でした。ロールボットは、8センチメートル長と4センチメートル幅の平らなシートとして開始されます。200°C程度の熱い表面に触れると、1つのヒンジが折り畳み、ロボットが五角形の車輪に変形します。

車輪の5つの側面には、熱い表面に触れると折り畳む別のヒンジのセットがあります。

「多くの既存のソフトロボットは、外部の電力と制御システムに接続する必要があり、または発揮できる力が限られているため、ヒンジは役に立つものです。ヒンジは、ソフトロボットがテザーが実用的でない環境で動作し、ヒンジの重量よりもはるかに重い物体を持ち上げることができるようにします」とマクマホンは述べました。

この研究は、温度反応にのみ焦点を当てて行われました。将来的には、液晶エラストマーは、光、pH、湿度、その他の外部刺激にも反応することができるため、さらに研究されます。

「この研究は、応答性ポリマーとアーキテクチャ化された複合材料の組み合わせが、さまざまな刺激に反応する材料をもたらすことを示しています。将来的には、これらの材料はより複雑なタスクを実行するようにプログラムすることができ、材料とロボットの境界が曖昧になるでしょう」と、カリフォルニア工科大学の機械工学と応用物理学の教授であり、研究の共同リード著者であるキアラ・ダライオは述べました。

研究には、エミリー・C・デビッドソン、ジャリラ・M・ムハンマド、ロバート・D・ウィークスが共同著者として参加しました。研究は、陸軍研究事務所、ハーバード材料研究科学技術センター（National Science Foundationを通じて）、およびNASA宇宙技術研究フェローシップの支援を受けました。