ミミズ、スプリング、ソフトロボット：小さな生物が技術に与える大きな影響

ジョージア工科大学の研究者は最近、印象的な成果を発表しました：5インチの長さのソフトロボットが、脚がないにもかかわらず、10フィートの高さまで跳ぶことができます。設計は、人間の毛髪よりも細い、ミミズにインスパイアされたものです。

ミミズは、体をきつくしわにして、弾性エネルギーを貯蔵し、そして突然それを解放して、空中や後ろへ跳ぶことができます。エンジニアはこの動きを模倣しました。彼らの「ソフトJM」ロボットは、基本的に、柔軟なシリコンロッドに炭素繊維の背骨が付いたものです。ロボットがどのように曲げるかによって、前方または後方に飛ぶことができます。

動作中、ミミズにインスパイアされたロボットは、人間がしゃがむように体を曲げてから、突然伸びて跳ぶことができます。高速カメラで撮影した映像では、ミミズが頭を上に向けて体の中央をしわにして後方に飛び、そして尾を伸ばして前方に飛ぶことができます。

ジョージア工科大学のチームは、これらのきついしわが、通常、ホースやケーブルの問題となるものですが、実際にはミミズやロボットが多くのエネルギーを貯蔵できることを発見しました。研究者によると、しわのあるストローやホースは使えませんが、しわのあるミミズはロードされたスプリングのように動作します。実験室では、ソフトロボットがこのトリックを再現しました：それが「しわ」を作り、緊張し、そしてバースト（約0.1ミリ秒）で空中に飛び上がります。

ソフトロボットの台頭

ソフトロボティクスは、まだ若い分野ですが、急速に成長しています。自然界から多くのヒントを得ています。剛性のある金属製ロボットとは異なり、ソフトロボットは柔軟な材料で作られており、周囲に合わせて変形することができます。初期のマイルストーンには、ハーバードのオクトボットがあります。オクトボットは、完全にシリコンと流体チャンネルで作られた、剛性のない部分がないロボットです。タコの筋肉にインスパイアされています。以来、エンジニアは、ミミズのようなクローラーやジェル化グリッパー、着用可能な「エクソスーツ」、ローリングバインのようなロボットのメナージェリーを構築しました。

例えば、イェール大学の研究者は、カメにインスパイアされたソフトロボットを作成しました。ロボットの脚は、水中を泳いでいるか、歩いているかによって、フロッピーなフリッパーと堅い「陸上の脚」に切り替わります。UCSBでは、科学者が、光に反応する「皮膚」を持つ、ツルに似たロボットを作成しました。ロボットは、植物の茎のように、狭い空間を伸ばすことができます。これらのバイオインスパイアされたイノベーションは、ソフトマテリアルが新しい動きのモードを作成する方法を示しています。

全体として、支持者は、ソフトロボットが従来のロボットができない場所に行くことができるという意見です。米国国家科学財団は、適応性のあるソフトマシンが「従来のロボットが到達できない空間を探索する」と述べています。例えば、人体内でもです。いくつかのソフトロボットには、色や剛性を変えることができる「皮膚」があり、物体を握ったり、周囲と同化したりすることができます。エンジニアは、折り紙/キリガミ技術、形状記憶ポリマー、他のトリックを使用して、これらのロボットが飛行中に再構成できるようにしています。

柔軟な動きのエンジニアリング

動物のように動くソフトロボットを作ることは、大きな課題を伴います。剛性のあるジョイントやモーターがないため、設計者は材料の特性と巧みな幾何学に頼らなければなりません。例えば、ジョージア工科大学のジャンパーには、ゴムの体の中に炭素繊維の背骨を含める必要がありました。センサーと制御システムを統合することも難しいです。ペンシルベニア州立大学のエンジニアは、従来の電子機器は刚性で、ソフトロボットを固定してしまうため、小さなクローラーロボットに「賢い」ようにするために、柔軟な回路を体に広げる必要があったと指摘しています。

エネルギー源を見つけることも難しいです。いくつかのソフトロボットは、外部の磁気フィールドや加圧空気を使用します。重いバッテリーを搭載すると、重量が増えてしまいます。

ジョージア工科大学のミミズにインスパイアされたソフトロボット（写真：Candler Hobbs）

別の障害は、正しい物理学を利用することです。ミミズロボットチームは、しわが実際に役立つことを学びました。通常のゴムチューブでは、しわがすぐに流れを止めますが、ソフトミミズでは、内部圧力をゆっくり積み上げ、解放する前に多くの曲げが可能です。シミュレーションや水で満たされた風船モデルを使用して、研究者は、柔軟な体が曲げられたときに多くの弾性エネルギーを保持し、そして一瞬で解放できることを示しました。結果は驚異的です：ロボットは、休憩から10フィートの高さまで、繰り返し、単に背骨を曲げるだけで跳ぶことができます。これらのブレークスルーは、ゴム状の材料にエネルギーを貯蔵して解放する方法を見つけることです。

現実世界のホッパーとヘルパー

これらのソフトロボットは何に役立ちますか？原則として、従来のロボットができない状況に取り組むことができます。例えば、災害地域では、ソフトボットは、瓦礫の下や崩壊した建物の中に這い込んで、生存者を探すことができます。ペンシルベニア州立大学は、磁気的に制御されるソフトクローラーのプロトタイプを示しました。ロボットは、狭い瓦礫や血管サイズのチャンネルの中を移動することができます。

医学では、微小なソフトロボットが体内で薬物を直接投与することができます。MITの研究では、糸の細さのソフトロボットが動脈を浮遊し、血栓を除去することが想定され、開腹手術なしで脳卒中を治療することができます。ハーバード大学の科学者は、ソフト着用可能なエクソスケルトンも開発しています。軽量のインフレータブルスリーブが、ALS患者の肩を持ち上げる動きの範囲をすぐに改善しました。

宇宙機関もソフトジャンパーに注目しています。車輪は砂や岩に引っかかる可能性がありますが、ホッパーロボットはクレーターや砂丘を飛び越えることができます。NASAは、月や氷の月に新しいジャンパーを想定しています。1つのコンセプトでは、サッカーのボールサイズのボットであるSPARROWが、氷から蒸発した蒸気ジェットを使用して、エウロパやエンケラドゥスを何マイルも跳びます。低重力の環境では、小さなジャンプが非常に遠くまで飛びます。科学者は、ロボットの1メートルのジャンプが地球では100メートル飛ぶことができることを指摘しています。アイデアは、数十のこれらのホッパーが、車輪のロボットが止まるであろう地形を自由に移動できるということです。地球上では、将来的にソフトジャンパーが、従来のロボットが止まるであろう、川、泥、不安定な地形を飛び越えて、捜索救助作戦を支援することができます。

ソフトロボットは、産業や農業でも役立ちます。NSFは、ソフトロボットが工場の床や農場で安全なヘルパーになる可能性があることを指摘しています。研究者は、デリケートな果物を傷つけずに優しく摘むことができるソフトグリッパーも作成しました。ソフトマシンの柔軟性は、剛性のある機器ができない場所で動作できることを意味します。

最終的に、専門家は、ソフトロボティクスが多くの分野を根本的に変えることになるでしょう。ミミズから着用可能なスーツまで、月のホッパーまで、この研究は、小さな生物が技術に与える大きな影響を示しています。