研究者らは、小型ソフトロボットを動かし、新しい形状に固定できる高精度の3Dプリントマイクロアクチュエータを開発しました。

2024年6月16日、アンタークティックベアは、ノースカロライナ州立大学の研究者が、厚さ1ミリメートル未満のソフトロボットの変形と動きを制御するために使用できる新しいタイプのマイクロソフト油圧アクチュエータを開発したことを知りました。研究者らはまた、この技術が形状記憶材料とともに使用できることを実証し、ユーザーがソフトロボットを希望の形状に繰り返し固定し、必要に応じて元の形状に戻すことができることを明らかにした。
△マイクロアクチュエータが細いリボン状のソフトロボットを駆動します。画像提供: ノースカロライナ州立大学 Jie Yin
関連研究は、「変形と操作のための形状記憶効果を備えた、完全に 3D プリントされたマイクロソフト油圧アクチュエータ」というタイトルの論文で、Advanced Materials 誌に掲載されました。この論文は、ノースカロライナ州立大学の元博士課程学生であるYaoye Hong氏、ノースカロライナ州立大学のポスドク研究員であるYao Zhao氏とYanbin Li氏、ノースカロライナ州立大学の博士課程学生であるFangjie Qi氏が共同執筆した。この研究は、国立科学財団の助成金 2126072 および 2329674 によって支援されました。

論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202402517
「ソフトロボティクスは多くの用途で大きな可能性を秘めていますが、ソフトロボットの小規模な動きを駆動するアクチュエータの設計は極めて困難です」と、ノースカロライナ州立大学の機械・航空宇宙工学准教授で、この論文の責任著者である Jie Yin 氏は述べています。「私たちのアプローチは、市販のマルチマテリアル 3D 印刷技術と形状記憶ポリマーを活用してマイクロスケールのソフトアクチュエータを作成し、非常に小さなソフトロボットを優れた制御性と繊細さで制御できるようにします。」
この新しい技術は、2 つの層で構成されたソフトロボットを作成することに依存しています。最初の層は、3D 印刷技術を使用して作成された柔軟なポリマーで、マイクロ流体チャネルのパターン (基本的には材料を通過する非常に小さなチューブ) が含まれています。 2 番目の層は柔軟な形状記憶ポリマーです。全体として、ソフトロボットの厚さはわずか0.8ミリメートルです。
△形状変形と形状固定のために SME と統合された、完全に 3D プリントされたマイクロサブミリメートル厚のソフト油圧アクチュエータ (MSHA) の概略図。マイクロ流体チャネルに流体を送り込むことで、ユーザーは油圧を発生させ、ソフトロボットを動かしたり形状を変えたりすることができます。マイクロ流体チャネルのパターン化により、ソフトロボットの動きや形状の変化（曲げ、ねじりなど）が制御されます。さらに、注入される流体の量と注入速度によって、ソフトロボットの移動速度と発揮される力が制御されます。
ソフトロボットの形状を「固定」したい場合は、適度な熱（64℃または147℉）を加えてロボットを短時間冷却します。これにより、マイクロ流体チャネル内の液体が排出された後でも、ソフトロボットが元の形状に戻ることがなくなります。ソフトロボットを元の形状に戻したい場合は、液体を排出した後に再度加熱するだけで、ロボットは元の形状に戻ります。
「ここで重要な要素は、マイクロ流体チャネルを含む層に対する形状記憶層の厚さを微調整することです」と、論文の共同筆頭著者であり、ノースカロライナ州立大学の元博士課程学生であるインディン・チ氏は言う。「形状記憶層は、アクチュエータからの圧力がかかったときに曲がるほど薄く、圧力が除去された後もソフトロボットがその形状を維持できるほど厚くする必要があります。」
この技術を実証するために、研究者らは小さな物体を拾い上げることができる柔らかいロボット「グリッパー」を製作した。研究者たちは油圧をかけてグリッパーを物体に固定させた。研究者たちは熱を加えることで、油圧アクチュエータからの圧力を解放した後でもグリッパーを「閉じた」位置に保持することができた。その後、グリッパーを移動できます (保持しているオブジェクトを新しい場所に移動します)。その後、研究者らは再び熱を加え、グリッパーが拾い上げた物体を放すようにした。（ソフトロボットの動く動画リンク：https://youtu.be/5SIwsw9IyIc）
△ 3Dプリントされたマイクロソフト油圧アクチュエータの動作のデモンストレーションノースカロライナ州立大学の博士課程の学生で、論文の共同筆頭著者であるハイタオ・チン氏は、「これらのソフトロボットは非常に薄いため、小さな赤外線光源を使用して64℃まで素早く簡単に加熱でき、冷却も速いため、この一連の操作にかかる時間はわずか2分程度です。また、動作は必ずしもクランプで固定する必要はありません。私たちは、自然界のつる植物からヒントを得たクランプもデモンストレーションしました。これらのクランプは、対象物を素早く巻き付けてしっかりと固定できるため、しっかりとした把握を実現できます。この論文は、この新技術の概念実証であり、このタイプのマイクロソフトアクチュエータが小型ソフトロボット、変形可能な機械、バイオメディカルエンジニアリングに応用される可能性に非常に期待しています。」と述べています。

研究者らは、小型ソフトロボットを動かし、新しい形状に固定できる高精度の3Dプリントマイクロアクチュエータを開発しました。

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