南京航空航天大学：昆虫にヒントを得た3Dプリントによる強い摩擦と弱い接着の柔軟なアタッチメント設計戦略

出典: MF High Precision

高度なロボットグリッパーの開発は、制御可能な接着力と摩擦力を通じて、効率的で柔軟性があり、安定した物体操作を実現することを目的としています。たとえば、摩擦力が強く接着力が弱い柔軟な取り付けパッドを使用すると、信頼性が高く効率的なウェーハ輸送が可能になります。ゴキブリ、イナゴ、キリギリスなどの滑らかな足裏を持つ昆虫は、走る、跳躍するなどの高速運動中に、足裏の強い摩擦と弱い接着という、非常に動的な着脱を実現できます。したがって、昆虫の滑らかな足裏の摩擦増強構造を理解し、模倣することで、登攀能力や把持能力を備えたロボットの開発を促進できます。

最近、南京航空航天大学機械電気工学部の冀克居准研究員と戴振東教授が率いる研究チームは、バイオニック原理に基づいて、強い摩擦と弱い接着を同時に実現できるバイオニック柔軟接着機構を設計・製造した。この機構は、昆虫の滑らかな足裏の内部クチクラ構造にヒントを得たものである。動物にとって、手足を使って物体をつかんだり操作したりすることで環境と効率的に相互作用することは、生存に不可欠です。数十億年にわたる進化の中で、人間の手、昆虫の足、タコの触手、猫の爪などのエンドエフェクタは、環境の課題に適応するためにさまざまな構造と機能を進化させてきました。中でも昆虫は、その強力な運動能力により、バイオニックロボットの分野で注目されている研究対象となっている。研究チームは、昆虫の滑らかな足裏の高い適応性、高い摩擦力、弱い接着力は、その弧状の表面と内部の樹枝状構造の複合効果によるものであり、表面と内部構造のパラメータは摩擦性能にとって最適な値を持っていることを発見した。この研究では、バイオニック設計原理を通じて摩擦を増加させ、接着力を低減する柔軟なアタッチメント構造のシンプルな設計戦略を実装し、ロボットグリッパーとアタッチメントユニットの設計と製造に新しいアイデアを提供しました。

当該研究成果は、トライボロジー分野の著名な国際誌「Tribology International」（SCI Zone 1、トップジャーナル、IF=6.20）に「強い摩擦力と弱い引き離し力を備えた柔軟なアタッチメントのための昆虫にヒントを得た設計戦略」というタイトルで掲載されました。南京航空航天大学機械電気工学学院博士課程学生の趙家慧氏が筆頭著者であり、南京航空航天大学機械電気工学学院准研究員の季克居氏と戴振東教授が共同責任著者である。この研究は中国国家自然科学基金の強力な支援を受けて行われました。

本研究で設計されたバイオニックフレキシブルパッドは、ハードテンプレート法を使用して作成されました。すべての型は、MMF 精密 microArch® S140 (精度: 10 μm) 光硬化 3D 印刷装置を使用して製造されました。製造プロセスの概略図を図 1a に示します。バイオニックフレキシブルパッドの表面粗さ、接触角、ヤング率は、それぞれレーザー共焦点顕微鏡、接触角試験機、万能引張試験機を使用してテストされました（図1bおよびc）。摩擦特性と接着特性はBruker社のUMT-2で測定され、具体的な手順は図1dとeに示されています。

図 1 a) 鋳型鋳造による生体模倣フレキシブルパッドの製造プロセスの概略図、b) 生体模倣フレキシブルパッドの表面粗さと疎水性、c) 市販の PDMS の応力-ひずみ曲線、d) テストベンチでの抑制光の全反射図、e) 本研究で使用した摩擦測定手順の概略図とテストプラットフォームの写真。

自然界には、多くの植物の葉、岩の表面、木の幹の樹皮など、さまざまな粗さの表面が存在します。昆虫の足裏はこれらの表面によく適応しており、それを基盤として大きな推進力を得ています (図 2a、d、g)。これらの昆虫の摩擦パッドは 4 つの半球形の足根パッド (図 2b、e、h) で構成されており、これはコオロギやナナフシを含むすべての滑らかな昆虫の足根パッドにほぼ普遍的に存在する特徴です。内部構造の断面SEM画像（図2c、f、i）は、昆虫が均一な厚さの滑らかな膜状クチクラと、内側の膜層の下に均等に分布した縦方向に配置された樹状構造を持っていることを示しています。

図2 キリギリス、イナゴ、ゴキブリの足裏構造 a、d、g）キリギリス、イナゴ、ゴキブリの登攀および把持形態、b、e、h）足裏の腹側図、c、f、i）足裏の接触領域の断面。

表面曲率が摩擦挙動に与える影響を明らかにするために、研究チームは曲率が0、10、20 m-1の3つの固体パッド（それぞれS0、S1、S2）を設計し、準備しました。摩擦性能試験の結果、表面の曲率が増加するにつれて、材料の角度適応性が向上し、スティックスリップ破壊が発生しないことがわかりました。ただし、固体パッドの場合、表面の曲率が増加すると実際の接触面積が減少し、図 3 に示すように摩擦が大幅に減少します。

図 3 異なる法線力下での固体パッドの摩擦テスト a) 曲率が 0、10、20m-1 で底角が 0° の固体パッドの力 - 時間曲線。 d) 底角が 0°、1°、2°、3° の場合の固体パッドの摩擦力。 g) 負荷がかかった状態での異なる曲率の固体パッドの有限要素解析。

研究チームは、上記の SEM 画像の主要な内部構造に基づいて、直径 20 mm、表面曲率 20 m-1 のバイオニック柔軟パッドを設計、製造しました (図 4a)。この研究では、柱は膜に接触する曲面に対して垂直に配置され、平らで剛性のある裏地層に固定されました。その中で、バイオニックフレキシブルパッドの摩擦性能に影響を与える可能性がある主な構造パラメータは、柱径（R1）、柱中心距離（R2）、最大柱高さ（L1）、接触膜厚（L2）の4つです。複数のパラメータを分析した結果、バイオニックフレキシブルパッドの摩擦力は主に R1/L2 と (R1)2/(R2)2 の 2 つの比率によって影響を受けることがわかりました。柔軟で均一な粘弾性材料の場合、R1/L2 と (R1)2/(R2)2 の物理的な意味は、それぞれ接触膜に伝播する力の垂直方向の深さと水平方向の幅を表します。この研究では、選択された材料に対して決定された適切な構造比は、R1/L2 = 0.75および((R1)2/(R2)2 = 0.36でした。

図 4 a) バイオニックフレキシブルパッドの写真と概略図。b) 異なる法線力下での R1/L2 と (R1)2/(R2)2 の関数としてのバイオニックフレキシブルパッドのせん断力。cf) 動的実験とシミュレーションにより、R1/L2 と (R1)2/(R2)2 が摩擦力に及ぼす影響が分析されました。

研究チームは、バイオニックフレキシブルパッドのさまざまな材料表面への適応性をテストするために、粗さの異なる 8 つの基板を選択しました (図 5a)。結果は、比較的高い垂直荷重（1.0～3.0 N）下では、生体模倣フレキシブルパッドのさまざまな基板に対する摩擦は主に材料によって影響を受け、表面粗さの影響は無視できることを示しています（図5b）。しかし、より低い法線荷重（0.5 N）では、基板の表面粗さが増加するにつれて摩擦力が大幅に減少します（図 5c）。これは、粗い表面での接着不良に起因すると考えられます。したがって、表面粗さが 0.408 μm を超えると、バイオニックフレキシブルパッドと基板間の摩擦は主に耕作力によって支配されます。図5dは、バイオニックフレキシブルパッドの垂直および大角度の登山への応用を示しており、本研究で開発された強力な摩擦材料が幅広い応用の見通しを持っていることを示しています。

図 5 a) 粗さの異なる 8 つの基板、b) 比較的高い垂直荷重 (1.0～3.0 N) 下での 8 つの基板上のバイオニックフレキシブルパッドの摩擦、c) 低荷重下での表面粗さによるバイオニックフレキシブルパッドの摩擦の変化、d) バイオニックフレキシブルパッドアレイの実際のアプリケーション。

結論: 昆虫の滑らかな足裏の内部構造にヒントを得て、本研究では 3D プリント金型技術を使用して、大量生産可能なバイオニック柔軟パッドを製造しました。摩擦と接着は主に、柱径、柱中心距離、最大柱高、接触膜厚、表面曲率の 5 つのパラメータによって影響を受けます。したがって、これらのパラメータを調整することで機械的特性を制御し、急速な動的動作中にバイオニックフレキシブルパッドの強力な摩擦と容易な取り外し可能性を確保することができます。強い摩擦と弱い接着力を備えたバイオニックフレキシブルパッドは、航空機検査、把持ロボット、半導体デバイスの処理など、高度な製造分野での潜在的な用途があります。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108973

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