3Dプリントされたマイクロロボットが科学者の歩行ダイナミクス研究を支援

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-6-13 09:55 に最後に編集されました。

自然界では、ほとんどの昆虫は非常に小さいですが、それでも地球全体を占拠していることに気づいていますか。ロボット工学者たちは長い間、普通の昆虫と同じくらい小さいロボットを作ろうと試みてきた。しかし厳密に言えば、これらのロボットはまだ比較的大きく、巨大なカブトムシや蛾くらいの大きさで、ほとんどの昆虫はこれよりはるかに小さいです。大きさの違いは、彼らが世界を全く違った形で経験することを意味し、効果的な学習がはるかに難しくなります。

先月開催された国際ロボット工学・自動化会議（ICRA）で、メリーランド大学のライアン・セントピエール教授とサラ・バーグブライター教授が、重さ2グラム未満の磁気駆動式脚ロボットの歩行特性に関する論文を発表し、マイクロロボットに関するより詳細な研究への道を開いた。

実際、重さがわずか数グラムのコインサイズのロボットは、2009年から登場しています。 2009 年、カリフォルニア大学バークレー校は、重さわずか 2.4 グラムの 6 本足の自律移動ロボット (RoACH) を披露しました。数年後、ハーバード大学のマイクロ歩行ロボット (HAMR) は、足の数を 4 本に減らし、重さはわずか 1.7 グラムになりました。しかし、これらの小型ロボットはかっこいいものの、そのほとんどは単に存在することを目的として設計されており、数歩を歩く程度しかできないため、小型ロボットのダイナミクスを実験的にテストする方法はありません。

非常に小さな脚付きロボットに最適な歩行方法を見つけるために、ライアン・セント・ピエールは当初、RHex のような車輪付き脚付き六脚ロボットを構築し、その後それを縮小する計画を立てました。 RHex の利点は、各脚を独立して制御できるため、さまざまな歩行を簡単に試すことができることです。しかし、当初、この小さな RHex ロボットは、脚が絡み合う傾向があったため、うまく動作しませんでした。そこで、ライアン氏は中央の 2 本の脚を取り外し、車輪付きの四足歩行ロボットに改造しました。ロボット全体が一度に 3D プリントされ、組み立てる必要がないことは特筆に値します。印刷したら、モーターを取り付けるだけで動きます。

これらのロボットは非常に小さいため（各四足ロボットの長さはわずか 20 mm、高さは 5.6 mm、重さは約 1.6 グラム）、従来のモーターやバッテリーは使用できません。代わりに、ロボットは主に外部磁場によって生成される磁力によって駆動されます。具体的には、2 mm のネオジム磁石が各ロボットの脚の根元に埋め込まれています。ロボットに十分近い位置で巨大な磁石を回転させると、回転する磁場によってこれらの小さな磁石が回転し、ロボットの脚が駆動されます。脚の磁石の双極子の向きを変えてさまざまな組み合わせを作ることで、ロボットは小走り、アヒルのようによちよち歩き、跳ねる、前かがみになるなど、さまざまな歩き方で動くことができます。平地では、10 Hz で駆動される 4 本足のホッピング歩行は、平均最大速度 78 mm/秒、つまり 1 秒あたりほぼ体長 4 倍の速度に達することができます。 4 本足で跳ぶことは、中程度の凹凸のある地形では最適な歩行法であることが示されていますが、凹凸が増すにつれて他の歩行法の方がパフォーマンスが向上します。

「ロボットが移動する際に体を前後に傾けるほど、起伏のある地形を横断する際の効率は上がるが、平坦な地形では速度が遅くなるなど、歩行力学について多くのことを学びました」とライアン氏は語った。

ライアン氏は、3Dプリンターの助けを借りれば、たった1ステップで多数のマイクロロボットを高精度に製造することができ、研究プロセスが大幅にスピードアップすると語った。さらに、以下に示すように、小さな磁石を収容できる限り、ロボットをさらに小型化することもできます。

これは10セント硬貨大、100ミリグラムの四足歩行ロボットで、はるかに大きなロボットと区別がつかない動作をするため、これらのロボットがさらに小型化しない理由はない。「ロボットをできるだけ小さくするのは、常に興味深い挑戦です」とライアン氏は語った。「現在、私は同じ設計ですが、長さがわずか 2.5 ミリメートルのロボットに取り組んでいます。これは ICRA で紹介したものよりも一桁小さいものです。ロボットが小さくなれば、これまでは想像もできなかったような機能を実現できるようになります。」

出典: 3Dプリンティングインテリジェンスネットワーク

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