パデュー大学はマイクロ3Dプリントを使用して、髪の毛ほどの薄さでありながら記録的なスピードに達する水泳ロボットを開発しました。

概要: 毎秒 2 ミリメートルで動くロボットは、特に速いようには聞こえませんが、ロボットが人間の髪の毛の幅しかない場合、それは記録破りの速度です。
2023年4月13日、Antarctic Bearは、パデュー大学の研究者がマイクロ3Dプリントを使用して高速水泳ロボットを作成したことを知りました。このマルチマテリアルプリントされたマイクロロボットには、環境に適応できるハイドロゲルの尾が装備されていました。

パデュー大学機械工学部の教授であり、この超小型水泳ロボットの製作者であるデイビッド・カペレリ氏は次のように語った。「私たちは、移動型超小型ロボットの設計方法、製造方法、制御方法、そして最終的には使用方法まで、10年から15年にわたって研究してきました。私たちは、それらを完全に探求してきました。これらのロボットは非常に小さいため、バッテリーやその他の内部電源を接続することはできません。そのため、磁場を使用して外部から電力を供給しています。」
この研究は、「」というタイトルの論文として IEEE Robotics and Automation Letters 誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1109/LRA.2023.3242164
3D プリントされた小型水泳ロボット<br /> カペレリ氏のチームは、数年にわたる研究を経て、生きた大腸内で動き回れるマイクロロボットを開発した。また、特定の薬剤を運ぶことができる医療用ロボットの研究も行っている。しかし、彼らの最新の挑戦は、この記事の主役である水泳ロボットです。
「私たちは現在、単なる硬い物体ではなく、変形したり、変化したり、環境に合わせて適応したりできる、より高度なマイクロロボットのプロトタイプの開発に取り組んでいます」とカペレリ氏は語った。
チームの最新のマイクロロボット「スイマー」は、硬い磁性体の頭部と螺旋状の柔らかいハイドロゲルの尾部で構成されており、細菌や精子などの生物学的現象の遊泳行動を模倣している。彼らはマイクロ3Dプリント技術を使用して、柔らかいハイドロゲル領域と硬いハイドロゲル領域が交互になった尾を作成し、ロボットがさまざまな流体環境に適応して動作できるようにしました。彼らはそれをヘリカル適応型マルチマテリアルマイクロロボット (HAMMR) と呼んでいます。

「ハイドロゲルは、刺激に応じて水にさまざまな方法で反応する柔らかい素材です」と、カペレリ研究室の学生で研究論文の著者でもあるリユアン・タン博士は言う。「スポンジのように膨らむハイドロゲルもあれば、水をはじく疎水性のハイドロゲルもあります。これらの異なるハイドロゲルを交互に配置すると、ねじれて螺旋状になり、ロボットの動きが速くなります。」
△マイクロ 3D プリンティングにより、さまざまな角度で適応的にねじれた螺旋状の尾部を形成するさまざまな種類のハイドロゲルなど、複数の材料をマイクロロボットに統合できます。
しかし、問題があります。ハイドロゲルは一般的に柔らかく、磁気ヘッドは一般的に硬いです。こんなに小さな規模でどうやって接続するのでしょうか? 「私たちは、2つの異なる微細加工技術を組み合わせるというアイデアを思いつきました」とタン氏は言う。「頭部はフォトリソグラフィーを使用して作られました。これは、硬い微細構造を作成する従来の方法です。次に、尾部には、2光子重合と呼ばれる3D印刷技術を使用しました。これは、Nanoscribe Photonic Professional GT2ユニットを使用して実行できます。」
研究者らは、学術界で最も先進的なマイクロおよびナノファブリケーション研究室の一つであるパデュー大学ディスカバリーパークのバークナノテクセンターでこのマイクロロボットを開発した。
△ベルクナノテクノロジーセンター
「私たちが作るマイクロロボットの幅はわずか 10 ～ 50 ミクロン、つまり人間の髪の毛ほどの幅しかないため、ナットとボルトだけでデバイスの 2 つの部品を接続することはできません。不純物やほこりの粒、浮遊する磁性粒子があると、ロボットが壊れてしまいます」と Cappelleri 氏は言います。「Nanoscribe 3D プリンターを使用することで、2 つの部品を接続するだけでなく、さまざまな環境に合わせてスパイラルテールのデザインをカスタマイズすることができました。」
彼らは、交互配置されたハイドロゲルのさまざまな角度と、水とイソプロパノールのさまざまな環境で実験を行いました。正しい組み合わせを見つけると、HAMMR は予想よりも速く泳ぎました。「ロボットは1秒間に体長8.1倍の速度を達成した。これは、これまでに報告された適応型水泳マイクロロボットの中で最速の速度だ」とタン氏は語った。
このロボットの場合、体長 8.1 は 1 秒あたり約 2 mm であり、それほど高速とは言えません。しかし、この小さなロボットを7メートルの魚雷の大きさに改造すれば、水中を移動する史上最速の物体の一つとなるだろう。
もちろん、HAMMR の最終的な目標は速度ではなく、正確さです。「最初のステップは、これらのロボットを製造し、流体環境で最適に動作できるようにすることです。ロボットは適応性があるため、血管や生殖器官などの狭い部分を通過するように形状を変えることができます」とカペレリ氏は述べた。「これまでの目標は、医療に使用できるデバイスを開発することです。たとえば、ロボットに薬剤を注入したり、生検に使用したりできますか? これらのロボットを人体のさまざまな診断機能に使用することを楽しみにしています。」
△博士課程の学生、リユアン・タン氏とデビッド・カペレリ教授は、磁場を利用して、超小型水泳ロボットが記録的な速度で移動できるようにしています。写真提供：ジャレッド・パイク、パーデュー大学

パデュー大学はマイクロ3Dプリントを使用して、髪の毛ほどの薄さでありながら記録的なスピードに達する水泳ロボットを開発しました。

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