ソフトロボットが「汗」を出して温度を調節する

コーネル大学の研究者たちは、温度を調節することができるソフトロボットの筋肉を開発しました。この新しい技術は、ソフトロボティクス分野を変革するものです。

熱管理技術は、長時間にわたって過熱せずに作動することができる、高出力のロボットを作成する上で重要な要素です。

このプロジェクトは、コーネル大学の機械工学および航空宇宙工学の准教授であるロブ・シェパードが率いていました。

チームの論文「3Dプリンティングハイドロゲルアクチュエーターの自動発汗」は、Science Roboticsに掲載されました。

耐久性、適応性、機敏性を持つロボットを開発する上で最も難しい側面の1つは、ロボットの内部温度を管理することです。シェパードによると、高トルク密度モーターと熱発生エンジンが過熱すると、ロボットは機能不全を起こしたり完全に停止したりします。

この問題は、ソフトロボットに特に当てはまります。ソフトロボットは合成材料で作られており、柔軟性が高いため熱を保持しやすいです。これは、熱を速やかに放散する金属とは異なります。内部の冷却技術、たとえばファンを使用する場合、ロボット内部に多くのスペースを占め、重量を増加させることになります。

これらの課題を考慮して、シェパードのチームは、冷却システムのインスピレーションとして、哺乳類の自然な発汗能力を見ました。

「発汗する能力は、人間の最も注目すべき特徴の1つです」と、共同リード著者でFacebook Reality Labsの研究科学者であるT.J. Wallinは述べました。「発汗は、蒸発した水の喪失を利用して急速に熱を放散し、周囲の環境温度よりも低く冷却することができます。… したがって、生物学は私たちエンジニアにとって優れたガイドとなりました。」

シェパードのチームは、コーネル工学教授エマニュエル・ジャンニェリスの研究所と提携しました。彼らは、発汗に必要なナノポリマー材料を開発しました。これらの材料は、光を使用して樹脂を事前に設計された形状に固める3Dプリンティング技術であるマルチマテリアルステレオリソグラフィーを使用して作成されました。

研究者たちは、水を保持し、温度に反応する2種類のハイドロゲル材料で構成される指のようなアクチュエーターを製造しました。別の観点から見ると、これらは「賢い」スポンジでした。基底層は、30°C（86°F）以上の温度に反応して収縮するポリ-N-イソプロピルアクリルアミドで構成されていました。この反応により、上部層のポリアクリルアミドに水が押し出され、上部層にはマイクロンサイズのポアが開いて「汗」を放出します。ポアは同じ温度範囲に反応し、温度が30°C以下に下がると自動的に閉じます。

水が蒸発すると、アクチュエーターの表面温度は30秒以内に21°C低下します。この冷却プロセスは、人間のものよりも3倍効率が高いと研究者たちは述べています。ファンの風にさらされると、アクチュエーターは約6倍の速度で冷却されます。

この技術の1つの問題は、ロボットの機動性に影響を与える可能性があることです。ロボットはまた、水分を補給する必要があります。したがって、シェパードは、最終的に哺乳類のように発汗し、飲むことができるソフトロボットを想定しています。

この新しい技術の開発は、ロボティクス業界における明らかなパターンに従っています。技術は、自然環境に基づいて開発されることが増えています。哺乳類の発汗プロセス、ムーンジャリーの神経ネットワーク、または人工皮膚など、ロボティクスは多くの点で自然に存在するものを基に構築されています。