3Dプリントされたバイオニック人工筋肉 - 形状に基づいて収縮および伸長するソフトアクチュエーター「Grace」

出典: EngineeringForLife

人工アクチュエータは筋肉の収縮性能に達していますが、筋肉の複雑な配置によって実現される動きの多様性と優雅さは、まだほとんど匹敵するものがありません。従来の空気圧人工筋肉（PAM）は、組み立てられたコンポーネントによって制限されており、本質的に小型化された非紡錘形構造の実現を妨げ、人工筋肉技術の広範なカスタマイズと応用につながりません。

最近、イタリア工科大学の Barbara Mazzolai 氏のチームは、しわを誘導して変形する空気圧人工筋肉を開発し、Geometry-Based Contraction and Extension Actuator (GRACE) と名付けました。 GRACEs は単一材料の波形膜で構成されており、ひずみ制限要素を必要としません。さまざまな寸法、材質、特性で収縮したり伸びたりするように設計できるため、さまざまな生き物のような動きが可能になります。 GRACE は低コストの付加製造によって準備することができ、完全に 3D プリントされた空気圧ロボットハンド (動画 1) などの機能デバイスを 1 つのステップで直接構築することもできます。これにより、空気圧人工筋肉ベースのデバイスの試作と製品製造がより迅速かつ簡単に行えます。関連研究は、2022年7月27日に「収縮・伸長するソフトアクチュエータを使用した3Dプリント生体模倣人工筋肉」というタイトルでScience Roboticに掲載されました。

1. GRACE人工筋肉

図1 GRACE人工筋肉の概念図

GRACE は効率的で便利、そして汎用的な人工筋肉です (図 1)。 GRACE は、両端が狭くなり、縦方向に設計された折り目が付いた曲線状の薄いシェルで構成されています。加圧されると、プリーツが広がるにつれてアクチュエータが放射状に拡張します。減圧されると、ひだは崩れ、放射状の収縮と縦方向の伸長が生じます。 GRACE では、プリーツの曲線プロファイルとアクチュエータ全体の形状が重要です。 GRACE の機能的実現: アクチュエータ構造の低ひずみ幾何学的変換。

図2 GRACE筋肉は調整可能な力の出力とスケーラブルなサイズを備えています

GRACE は、ストロークが 30% 増加し、荷重/重量比が最大数千に達します。最大限の収縮、伸長、拮抗作用を実現するように設計し、さまざまな材料を利用することで、さまざまなスケールで低コストで 3D プリントしたり、複雑なデバイスに組み込んで複雑で多様な動きを実現したりすることができます (図 2)。

2. 幾何モデルの確立

図3 GRACEマルチパラメータモデル

まず、研究者らは純粋に幾何学的な手法を用いて対応する幾何学モデルを確立し、折り畳みの形状が GRACE の動作にどのように影響するかを研究しました。狭く深い折り目は収縮を促進し (GRACE-C)、広く浅い折り目は伸長を促進し (GRACE-E)、収縮と伸長の両方で優れた性能を発揮する折り目は最も拮抗的です (GRACE-A)。有限要素解析により、適切な壁の厚さと材質が決定されます。この構造は、より硬い材料やより厚い膜壁を使用するだけで、GRACE の動作圧力範囲とその結果生じる出力を増大できることを示しています。（図3）

3. 駆動性能の特性評価

図4 GRACE筋の特性と耐久性

次に、研究者らは、幾何学モデルのシミュレーション結果に基づいて、低コストのデスクトップ 3D プリンターと市販の材料を使用してさまざまな GRACE を直接印刷し、その運転性能を研究しました (図 4)。骨格筋と比較すると、GRACE は同様の変形とより低い力を示しました。この記事で使用されている印刷材料は光弾性であり、駆動プロセス中に物体の応力-ひずみ分布によって生成される縞模様を捉えることができるため、製品構造に残留応力があるかどうかを直感的に観察することができ、GRACEs の製造プロセスの研究に役立ちます。 1,000 回の耐久性テストの後、明らかな損傷や永久変形は観察されず、GRACE が複数回の運転サイクルに容易に耐えられることが示されました。

4. GRACEベースの「ロボットハンド」

図5: GRACEベースの「空気圧ロボットハンド」

最後に、GRACE の驚くべき汎用性を実証するために、研究者らは完全な GRACE ベースの空気圧ロボットハンドを 3D プリントしました (図 5)。 GRACE を直列、並列、対向構成で接続したり、サイズを変えたり、直接埋め込んだりすることで、さまざまなスムーズな動きを実現できます。ロボットハンドは、単一の材料から全体の構造を直接 3D プリントして作られています。組み立てる必要がなく、いつでも空気圧で駆動できます。

要約すると、最先端の PAM と比較して、GRACE はより汎用性が高く、設計性に優れており、複雑な駆動構造を持つデバイスを 1 つのステップで製造してバイオニックモーションを実現できます。 GRACE の開発プロセスには、モデリング、有限要素解析に基づく改良、および自動大量カスタマイズに適しており、需要に応じてさまざまな GRACE を直接製造できる付加製造が含まれます。デスクトップ 3D プリンターがあれば、誰でも GRACE ベースの設計やデバイスを簡単に開発できます。今後の研究では、著者らは GRACE をさらに活用して動物界における筋肉の配置の変化を模倣し、生物に着想を得た機械の開発を可能にする予定です。

出典: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn4155

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