エンジニアがソフトロボットに心臓を与える

コーネル大学と米国陸軍研究室の研究者チームは、流体力学的な力と磁力によって動作する変形可能なゴム状のポンプを開発し、ソフトロボットに循環システムを提供しました。このシステムは、自然界の動物の生物学的な仕組みを模倣しています。

「高性能柔軟ポンプのための磁気流体力学的浮上」のタイトルの論文は、米国科学アカデミー紀要に掲載されました。

生物らしい機械

ロブ・シェパードは、工学部の機械工学および航空宇宙工学の准教授です。筆頭著者のヨアブ・マティアとともに、コーネル大学の研究チームを率いました。

「これらの分散型ソフトポンプは、人間の心臓や、血液を送り出す動脈により近い働きをします。私たちのグループは以前、ロボットの血液に関する研究を発表しました。現在、ロボットの心臓もあります。二つの組み合わせにより、よりリアルなマシンを作成できます。」とシェパードは述べました。

シェパードが率いる有機ロボティクス研究所は、伸縮性センサー「スキン」や燃焼駆動ブレイルディスプレイ、運動能力を監視する衣服などの幅広い技術を、ソフトマテリアル複合材を使用して設計してきました。歩行、這行、水中移動、発汗が可能なソフトロボットも開発しました。チームによると、これらの創作は、患者ケアやリハビリテーションの分野で応用できる可能性があります。

循環システムの作成

ソフトロボットは、エネルギーを蓄え、四肢や運動に動力を供給するために循環システムを必要とし、それによって複雑な作業を遂行できます。

新しく開発されたエラストマーポンプは、ソレノイドと呼ばれるワイヤーのコイルが付いた柔らかいシリコーンチューブで構成されています。ソレノイドはポンプの外側に配置されており、コイルの間の隙間によりチューブが曲がったり伸びたりすることができます。チューブ内には、磁場にさらされると硬くなる磁気粘性流体に囲まれた固体のコア磁石があります。これによりコアが中央に保たれ、同時に密閉部が形成されます。磁気場をさまざまな方法で適用することで、コアマグネットを前後に動かして、水や低粘度オイルなどの流体を連続的に押進させることができます。

シェパードは、米国陸軍研究室のネイサン・ラザラスと共同で研究の共同上席著者を務めました。

「私たちは、他のソフトポンプよりも100倍の圧力と流量で動作しています。ハードポンプと比較すると、性能はまだ約10分の1です。つまり、非常に粘度の高いオイルを高流量で押進させることはできません。」とシェパードは述べました。

研究者たちは、ポンプシステムが大きな変形下でも連続した性能を維持できることを実証する実験を行いました。さらに、将来のイテレーションをロボットに合わせてカスタマイズできるように、パフォーマンスパラメータを追跡しました。

「ポンプのさまざまなパラメータに対するスケーリング関係を持つことが重要であると思いました。そうすれば、新しいものを設計するときに、異なるチューブの直径や長さを持つものを設計するときに、望む性能を得るためにポンプをどのように調整すべきかが分かります。」とシェパードは述べました。