マルチマテリアル3Dプリント技術が大きな進歩を遂げた

出典: 国際金属加工ネットワーク

一般的に、ロボットでは、グリッパーとも呼ばれる剛性アクチュエータが標準です。ロボットが触れているものの表面を傷つけないように柔らかいコーティングが施されていますが、最終的には、持ち上げる物体の重量に対応できるようにアクチュエータは比較的硬くなければなりません。より軽量で壊れやすい物体を扱うアプリケーションでは、剛性の高いアクチュエーターをより柔らかく柔軟性の高いものに置き換える必要があります。現在、シンガポール工科デザイン大学と上海交通大学の研究チームは、剛性を調整できる3Dプリントのマルチマテリアルアクチュエーターを開発しており、これにより、さまざまなタスクごとにアクチュエーターを交換する必要がなくなる可能性がある。

アクチュエータは、温度の変化に応じて剛性が変化する材料である活性化形状記憶ポリマー (SMP) の層で構成されています。形状記憶ポリマーからアクチュエータを作成するこれまでの試みは、応答が遅く、明瞭性が限られるなど、期待外れの結果しか得られませんでした。しかし、国際研究チームは、直接書き込み技術とマルチマテリアル 3D プリントを使用してアクチュエータに加熱要素と冷却要素を挿入し、剛性を調整できる初の高速応答ソフトアクチュエータを開発しました。

「市販のインクジェットマルチマテリアル 3D 印刷技術と直接書き込みを組み合わせて、完全に印刷され、応答が速く、剛性を調整できるアクチュエータを製造しました」と、プロジェクトの共同リーダーの 1 人である SUTD 科学数学部の Qi (Kevin) Ge 助教授は述べています。「埋め込まれた形状記憶ポリマー層により剛性を調整でき、埋め込まれた加熱および冷却要素により応答が速くなっています。」

形状記憶ポリマー層により、アクチュエータは柔軟性を失うことなくベース素材より 120 倍以上も硬くなり、温度制御要素のおかげで、アクチュエータはわずか 32 秒で高温と低温のサイクル全体 (25°C から 70°C へ、そして再び 25°C へ) に耐えることができます。ゲ教授は次のように語った。「変形アクチュエータは、硬い状態でも、圧縮空気が放出された後でも、負荷作業を実行できます。さらに、高温と低温のサイクルは約 30 秒で完了します。」

さらに、チームはその後のアクチュエータの設計を導くためのコンピュータモデルを考案しました。「我々はまた、最初のアクチュエータの機械的および熱電的性能をシミュレートするための計算モデルを構築しました。これは、実験的に検証されれば、高速応答で剛性を調整可能なアクチュエータの設計を導き、負荷容量の向上に役立ちます」と、SUTDの博士研究員で論文の共同筆頭著者であるYuanfang Zhang氏は述べています。

もちろん、実際にテストしなければ研究は完了しません。そこで研究チームは、応答が速く、剛性を調整できるアクチュエータを 3 つ搭載したロボットハンドを構築し、電球やダンベルなど、さまざまな物体を持ち上げてつかむ動作を実証しました。プロジェクトの共同リーダーである Guoying Gu 教授は次のように説明した。「プロトタイプの高い耐荷重性と形状適応性を実証するために、10 グラムから 1.5 キログラムまでの任意の形状と重さの物体をつかんで持ち上げることができる、応答が速く、剛性を調整できるアクチュエータを備えたロボットハンドを設計しました。」応答が速く、剛性を調整できる 3D プリントアクチュエータは、研究者が人間の手と同様の器用さを持つロボットハンドを設計するのに役立ちました。人間の手には、骨、筋肉、腱、血液、脂肪、皮膚の連携による動的剛性があります。そのため、人間の手に非常によく似たモデルを設計して製造するのは非常に複雑です。しかし、3D プリントの助けを借りて、研究者たちは着実にこの目標を達成しています。

出典: 国際金属加工ネットワーク

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