ウェストレイク大学がソフトロボット用複合強化アクチュエータの新しい印刷方法を開発

2024年1月15日、Antarctic Bearは、ウェストレイク大学の研究者がソフトロボットに使用される複合強化アクチュエータ（CRA）を製造するためのマルチマテリアル埋め込み印刷方式（ME3P）を提案したことを知りました。この新しい方法は、他の 3D 印刷方法と比較して製造の柔軟性を大幅に向上させ、プログラム可能な応答を可能にし、複雑なソフトロボットにも使用できます。
関連研究は、「複合強化ソフトアクチュエータのマルチマテリアル埋め込み 3D プリント」と題する論文として、Research 誌に掲載されました。

論文リンク: https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0122
従来の硬いロボットとは異なり、ソフトロボットは、精密な物体操作、安全な人間と機械の相互作用、診断や手術のための医療用ロボットの分野で優れた機械的コンプライアンスにより大きな注目を集めており、国際的なロボット工学コミュニティで注目されている研究分野となっています。さまざまな種類のソフトアクチュエータの中でも、ソフト空気圧アクチュエータ (SPA) は、高い作業負荷、優れた可逆性と制御性、および高速作動速度の点で大きな利点があります。中でも、ソフト複合強化アクチュエータ（CRA）は、構造がシンプルで制御性が高いことから広く使用されています。しかし、この時間のかかる多段階成形法は、今でも主流の製造方法です。
本研究では、研究者らは初めて CRA 向けの新しいマルチマテリアル埋め込み 3D プリント (ME3P) アプローチを提案しました。これにより、内部チャネルを備えた任意の形状の複雑なアクチュエータ本体の全体的な設計と製造が可能になり、アクチュエータ表面への複雑な強化材料の容易なパターン形成も可能になります。
アクチュエータ本体を印刷するためのシステムの構造を図１Ａに示す。研究者らは、2 段階のプロセスを経て空気圧式の花のようなサンプルを印刷しました。まず、花の基質に空気の通路がある花びらをソフトインクで印刷しました (図 S1)。次に、花びらの両側にハードインクをコンフォーマルに印刷して、膨張中に形状が変形するのを制御しました。回転軸（U軸）を追加して、花びらの表面に硬い補強パターンを印刷します。ステップ 2 のノズルの先端は、印刷位置で花びらの表面に対して垂直になるように 90° に曲げられます (図 1A および B)。埋め込み印刷を成功させるには、インクの貯蔵弾性率がマトリックス材料の貯蔵弾性率よりも 1 桁または 2 桁高くなければなりません (図 1C)。この研究では、カルボマーゲルがマトリックス材料として選択され、そのレオロジー特性は以前の研究で調査されています。硬化した花の開花は設計目標と一致しており、印刷されたハードパターンが優れた補強性能を持っていることを示しています（図1DおよびムービーS2）。次に、3つの独立した内部チャネルを備えた柔らかい円筒形の膨張可能な本体を備えた全方向曲げアクチュエータが実証されました（図1F、左）。続いて、円筒の軸方向に対して±20°の交差角度で剛性補強編組を印刷し、円筒の半径方向の膨張を制限しました。 3 つのチャネルの圧力は 3 つの独立した空気源によって制御されます。図 1F は、全方向曲げ動作能力を示しています。
図 1. ソフト複合アクチュエータおよびロボット用のマルチマテリアル埋め込み印刷の概要。図 2. ハードインクとソフトインクのレオロジー特性と機械特性。図 3. 埋め込み 3D 印刷プロセスの最適化。図 4. アクチュエータと形状モーフィング構造のプログラム可能な応答。図 5. ポイント位置タスク用のシリアルアクチュエータの逆設計。図 6. 印刷されたホースクローリングロボット。
この研究では、研究者らは、CRA および CRA ベースのソフトロボットを簡単かつプログラム可能に製造するための ME3P 法を開発しました。調整可能な弾性係数を持つ 2 種類のインクが、CRA の柔らかい膨張パターンと硬い補強パターンとして機能するように設計されました。インクのレオロジー特性とプロセスパラメータを研究して、印刷品質と解像度を最適化します。研究者らは、強化複合材のパターンとさまざまな形状のソフトボディを設計・製造することで、プログラム可能な応答（伸長、収縮、ねじれ、曲げ、およびらせん状および全方向曲げ）を備えたアクチュエータを実証し、ホースクローラーロボットをモデルシステムとして使用して、実用的なアプリケーション向けの複雑なソフトロボットを製造する能力を示しました。一方、より複雑なアクチュエータを設計するために、有限要素解析データ駆動型アプローチが提案されています。この研究は、将来のソフトロボットの製造のための多用途で有望なプラットフォームを提供し、将来の CRA ベースのソフトロボットの製造における ME3P の多用途性を実証しています。

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