研究者は「FDM押し出し欠陥」を利用して、より良い結果をもたらす3Dプリントバイオニックロボットを開発している

2025年2月18日、アンタークティックベアは、トゥエンテ大学（UT）と南デンマーク大学（SDU）の研究者が、ロボット工学の分野で現在も課題となっているハイブリッドロボットの軟質材料と硬質材料の接続を強化する巧妙な方法を考案したことを知りました。
興味深いことに、彼らのアプローチは、日常の FDM 印刷でよく発生する「押し出し不足」の問題を利点に変えます。プリンターで意図的に多孔質構造を作ることで、材料間の接着性を向上させる方法を見つけました。さらに、このアプローチは標準の熱溶解積層法 (FDM) プリンターに適応できるため、高価なマルチマテリアルプリンターを必要とする既存のソリューションよりも使いやすくなります。
△バイオニックハイブリッドグリッパーは人間の爪を模倣しており、多孔質メッシュに接着された硬い爪甲が特徴で、爪と爪床の自然な結合を再現しています。 UTからの画像
関連研究は、ネイチャー誌に「アンダーエクストルージョンによる軟質および硬質材料の結合のための生物にヒントを得た 3D 印刷アプローチ」と題する論文として掲載されました。著者には、サウスダコタ大学の研究者アルマン・ゴシュタスビ、テキサス大学のルカ・グリニャフィニ、アリ・サデギが含まれています。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41598-024-84525-7#author-information
ロボット工学を強化するための自然の模倣<br /> ロボットのソフトコンポーネントとハードコンポーネントにはそれぞれ独自の利点がありますが、それらを適切に結合させることは常に難しい作業でした。これらの材料はストレスへの対処方法が異なり、その結果、接着力が弱くなることがよくあります。一方、接着剤などの従来の接着方法は、機械的応力によって破損箇所になる可能性があります。
しかし、自然は解決策を提供します。生物学的結合組織が筋肉と骨をシームレスにつなぐのと同じように、研究者たちは柔らかい材料と硬い材料のつながりを強化する繊維状の多孔質構造を開発しました。
このアプローチは、腱、靭帯、その他の自然なインターフェースがストレスを分散する方法を反映しており、それによって突然の機械的故障を防ぎます。厳格なテストを通じて、強度と柔軟性の最適なバランスを達成するために必要な多孔性を微調整し、生体模倣ロボットの進歩を実現しました。
数字がすべてを物語っています。このアプローチは、重ねせん断および剥離テストにおいて従来の接着剤を 200 パーセント上回る性能を発揮しました。 Ecoflex 00-10 および DragonSkin 10 シリコンゴムを使用した実験では、一般的に使用されている接着剤と比較して接着力が大幅に強くなり、ソフトロボットの耐久性が向上することが示されました。
空気圧式ソフトロボットでは気密性が重要であり、この方法も良好な結果を示しています。シミュレーションされた圧力条件下では、この技術を使用して形成された結合は接着剤を使用して形成されたものよりも 3 倍強力であり、インフレータブルおよびハイブリッドロボットシステムでの使用の可能性が強化されました。
このアプローチは、異なる材料間の強力な結合をシンプルかつ低コストで実現する方法を提供することで、ハイブリッドロボットの製造方法を変える可能性があります。アプリケーションは、機械的な信頼性が重要となるあらゆる環境に拡張でき、ソフトロボットの新たな可能性を切り開きます。
研究者らによると、今後の研究では、自然界に見られる柔らかい素材と硬い素材の間の段階的な変化を模倣することで、この技術をさらに改良する方法が模索される可能性があるという。 ABS や PETG などの代替 3D プリント材料を使用したテストにより、結合を強化する方法も明らかになる可能性があります。
△重ねせん断および剥離試験結果。 UTからの画像
バイオニックロボット研究<br /> これまで、3D プリンティングはいくつかのユニークな生体模倣ロボットの開発に貢献してきました。注目すべき貢献として、カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らは、柔らかい昆虫ロボットを3Dプリントするためのより経済的な方法を導入した。彼らのフレキソスケルトン印刷方法は、標準的な FDM プリンターで動作し、加熱された熱可塑性ベースに硬質フィラメントを重ねます。
柔軟な骨の製造技術は昆虫の殻からヒントを得ています。画像提供：Soft Robotics
このアプローチにより、生産が簡素化され、高価なマルチマテリアル 3D プリントの必要性がなくなり、ソフトロボティクスがより実現可能になります。この技術は昆虫の外骨格からヒントを得て、柔軟性と構造的サポートのバランスをとっています。テストでは、印刷されたロボットの強度と耐久性が向上し、プロトタイプは自力で歩行することに成功しました。
2022年、サリー大学の学生が水路からマイクロプラスチックを回収する3Dプリントロボット魚を開発した。エレノア・マッキントッシュ氏が2022年に発明した「ギルバート」と呼ばれるこのロボットは、エラのような構造と、水を通過させながら2ミリほどの小さなプラスチック粒子を捕捉できる細かいメッシュを備えている。
このデザインは2022年のネイチャー・ロボティクス・コンペティションで優勝し、実験室環境や英国の湖でテストされ、成功を収めました。当時は遠隔操作されていたが、将来的には遊泳速度と自律性の向上も計画されている。

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