人工物質によりソフトロボットが植物のように成長する

ミネソタ大学の科学者とエンジニアのチームは、植物に着想を得た押出プロセスを開発し、合成物質の成長を可能にしました。これにより、ソフトロボットが植物のように成長できる可能性があります。この方法は革新的で新しいものであり、結果として得られるロボットは、狭い場所、複雑な地形、そして даже人体内の領域を移動できます。

この研究は、国家科学財団によって資金提供され、プロシーディングス・オブ・ザ・ナショナル・アカデミー・オブ・サイエンシズ（PNAS）に掲載されました。

移動しながら「成長」するロボット

クリス・エリソンは、この論文の第一著者であり、ミネソタ大学ツインシティー校化学工学および材料科学科の教授です。

「これは、これらの概念が根本的に実証された最初の例です」とエリソンは述べました。「新しい製造方法を開発することは、私たちの国の競争力と新しい製品を人々に提供するために不可欠です。ロボットの分野では、ロボットは危険な、遠隔地での作業にますます多く使用されており、これらの分野でこの研究が影響を与える可能性があります。」

ソフトロボットは、硬い材料ではなく、柔らかく柔軟な材料で作られたロボットです。これらの新しいタイプの成長するソフトロボットは、新しい材料を生成し、「成長」することができます。これらは、さまざまな用途に適用でき、特に人間がアクセスできない遠隔地での作業に有用です。現実世界での応用例には、検査や地下管の設置、または人体内のナビゲーションが含まれる場合があります。

現在利用可能な成長するソフトロボットは、自身の後ろに固体材料のトレイルを残します。これらは、熱と/または圧力を使用して材料をより永久的な構造に変換します。研究者们は、これを3Dプリンターに例えています。3Dプリンターは、形作られた製品を生成するために固体フィラメントを使用します。ただし、ロボットが曲がり角を移動するとき、柔らかい材料が扱いにくくなり、ロボットが特定の障害物をナビゲートすることが難しくなります。

押出の新しい方法の開発

この問題に対処するために、チームは新しい押出方法を開発しました。この新しいプロセスでは、材料が特定の形状を作成するために開口部を通され、ロボットが液体から合成材料を作成できるようにします。

マシュー・ハウスラーデンは、この論文の第一著者であり、ミネソタ大学ツインシティー校化学工学および材料科学科の博士課程学生です。

「私たちは、植物や菌類が成長する方法から着想を得ました」とハウスラーデンは述べました。「私たちは、植物や菌類が体の末端、つまり根の先端または新しい芽に材料を追加するという考えを取り入れ、エンジニアリングシステムに翻訳しました。」

研究者们は、植物が水を使用して、成長する際に固体根に変換される構築ブロックを輸送するプロセスを模倣したいと考えました。合成材料でこれを実現するために、チームは、光を使用して液体モノマーを固体材料に変換するという、光重合という技術に頼りました。ソフトロボットは、この技術を使用して、固体材料を引く必要なく、障害物や曲がり角をより簡単にナビゲートできます。

現実世界での潜在的な応用

チームは、この新しいプロセスが製造業、特に熱、圧力、機械を使用して材料を形成および成形するアプリケーションに適用できる可能性があると述べています。

「このプロジェクトの非常に重要な側面は、材料科学者、化学エンジニア、ロボットエンジニアがすべて関与していることです」とエリソンは続けました。「私たちの異なる専門知識をすべて組み合わせることで、本当にユニークなものをこのプロジェクトに持ち込み、誰もが単独でこれを実現できなかったことを私は確信しています。これは、コラボレーションが科学者に難しい基本的な問題に対処するのを助け、技術的な影響を与える方法の良い例です。」

研究者チームには、ミネソタ大学化学工学および材料科学科のボラン・ジャオ（博士研究員）とロレイン・フランシス（科学技術学部優秀教授）；およびミネソタ大学機械工学科のティム・コワレフスキー（准教授）とマシュー・クバラ（大学院生）も含まれています。