3Dプリンティング技術のブレークスルー：ロボットを一歩で構築する

UCLAのエンジニアチームは、ロボットを一歩で構築できる新しい3Dプリンティング技術と設計戦略を開発しました。

この新しい研究は、ロボットがどのように構築され、歩き、操縦し、ジャンプするかを示しており、Scienceに掲載されています。

3Dプリンティング技術のブレークスルー

この新しい技術は、複数の機能を持つエンジニアリングアクティブ材料、または「メタマテリアル」の3Dプリンティングプロセスを含みます。これにより、ロボットの操作に必要な機械システムと電子システムの全体を一気に製造できます。メタボットが3Dプリンティングされた後、移動、推進、感知、意思決定を行うことができます。

印刷された材料は、内部ネットワークの感知、移動、構造要素で構成されており、プログラミング後に自ら動きます。この内部ネットワークは一か所にまとめられているため、外部コンポーネントとしてバッテリーを製造するだけで済みます。

Xiaoyu（Rayne）Zhengは、この研究の主任調査員であり、UCLAサミュエリエンジニアリング学校の土木・環境工学および機械・航空宇宙工学の准教授です。

「この設計と印刷方法論は、ロボットの製造のための複雑な組み立てプロセスを置き換えることができます。複雑な動き、複数の感知モード、プログラム可能な意思決定能力がすべて統合されており、神経、骨、腱が協調して制御された動きを実行する生物システムに似ています」とZhengは述べています。

潜在的な応用

チームは、完全に自治的な3Dプリンティングロボットを作るために、オンボードバッテリーとコントローラーを統合しました。各ロボットは指の爪の大きさで、Zhengによると、この新しい方法は、バイオメディカルロボットの新しい設計につながる可能性があります。そうしたバイオメディカルロボットの1つは、血管近くで自律的に泳いで、標的部位に薬剤を投与するロボットです。

3Dプリンティングロボットのもう1つの応用は、危険な環境、たとえば崩壊した建物に送ることです。そこでは、ロボットの群れが狭い空間に入り、脅威レベルを評価し、救助活動を支援することができます。

これはロボット工学の分野における大きなブレークスルーです。現在のロボットのほとんどは、複雑な製造プロセスを経て構築されており、重く、かさばり、弱いロボットになっています。

新しい方法を開発するために、チームは、電界に応じて形状と方向が変化する複雑な格子材料に頼りました。物理的な力の結果として電気的な電荷を生成することもできます。

新しいロボティクス材料の開発

チームが開発したロボティクス材料は、1ペニーほどの大きさで、構造要素が高速で曲がったり、ねじったり、拡張したり、収縮したり、回転したりするのを助けます。

さらに、チームは、ロボティクス材料を設計するための方法論を公開しました。これにより、ユーザーは独自のモデルを作成できます。

Hauchen Cuiは、この研究の筆頭著者であり、Zhengの付加製造およびメタマテリアル研究所のUCLAの博士研究員です。

「これにより、ロボット全体に動作要素を正確に配置して、さまざまな地形での高速な複雑な動きを実現できます。2つの方向の圧電効果により、ロボティクス材料は自らの歪みを自己感知し、エコーおよび超音波放出を介して障害物を検出し、外部刺激に反応してロボットが動く速度や方向を決定するフィードバック制御ループを実現できます」とCuiは述べています。

チームは、この方法を使用して、さまざまな機能を実証する3つの異なるメタボットを構築しました：

1. S字型の曲がり角やランダムに配置された障害物を回避するメタボット
2. 接触による影響に反応して脱出するメタボット
3. 粗い地形を歩き、短距離をジャンプするメタボット

この新しい3Dプリンティング技術は、ロボット工学の分野で重要な役割を果たすことになります。ロボットの構築をはるかに効率的に行うのに役立ちます。

このブレークスルー研究には、Desheng Yao、Ryan Hensleigh、Zhenpeng Xu、Haotian Lu（大学院生）、Ariel Calderon（博士研究員）、Zhen Wang（開発エンジニア）、Sheyda Davaria（バージニア工科大学の研究アソシエイト）、Patrick Mercier（UCサンディエゴの電気・コンピュータ工学准教授）、Pablo Tarazaga（テキサスA&M大学の機械工学教授）も参加しています。