北京大学謝光明チーム「Adv. Mater. Technol.」：3Dプリントバイオニックソフト水陸両用ロボット

出典: ポリマーテクノロジー

水陸両用ロボットは同じシステムを使用して陸上と水中を移動できるため、安全保障、産業、防衛、輸送に大きな影響を与えます。プロペラ、車輪、または履帯を使用する従来の水陸両用ロボットと比較して、バイオニック水陸両用ロボットはより優れたカモフラージュが可能です。ソフトロボットは筋肉のような動作を実現し、柔らかい生物の行動をより正確にシミュレートできます。しかし、柔らかい水陸両用ロボットにとって、直面する最大の課題は、多地形適応と自律的な水陸両用着陸を実現できるかどうかです。

最近、北京大学の謝光明教授の研究グループは、さまざまな地面の状態（丘陵地、断層面、滑らかな斜面、砂利道、海岸、泥地、水面など）を移動でき、水陸両用着陸も実行できる3Dプリントバイオニック水陸両用ロボットを開発した。

カメは、這う姿勢で4本の足を交互に持ち上げることで直線運動を実現します。曲がるときには、1 本の脚を軸として静止したまま、他の 3 本の脚を動かして曲がっていきます。カメが動くと、その脚は図 1b の状態から図 1c の状態へと変化します。このことにヒントを得て、この研究ではバイオニック脚を設計しました。図 1d および 1e に示すように、バイオニックレッグは 2 つの垂直エアバッグで構成され、エアバッグ間の接続はバイオニックジョイントとして機能します。バイオニックレッグは、単一の駆動圧力入力で 3D 動作を実現できます (図 2)。

図 1. カメにヒントを得たバイオニック脚と柔らかい水陸両用ロボットの設計。図2. バイオニック脚の動作の概略図。
バイオニックレッグの設計と製造は、従来の空気圧アクチュエータの製造に新しいアイデアを提供します。内部の事前設計されたサポートにより、柔らかい材料の 3D プリントが可能になります (バイオニックレッグ 1 本のコストは 1 人民元未満です)。また、サポートの存在により、膨張後のアクチュエータの拡張も制限され、より大きな曲げが実現されます。さらに、バイオニックレッグは、移動して障害物を乗り越える 3 次元の動きを実現するために、1 つの入力ポートのみを必要とします。モーター駆動型ロボットの脚では、3 次元の動きを実現するために 2 つ以上のモーターが必要であり、多くのソフトロボットの脚でも、3 次元の動きを実現するために 3 つの入力ポートが必要です。入力数が減ると、ガスとエネルギーの消費も減り、応答時間も長くなります。

バイオニックレッグの動作シーケンスをプログラムすることで、さまざまな動作の歩行を実現できます。カメの移動歩容を学習することで、直進歩容と旋回歩容が開発され、ロボットはカメのような移動動作を実現できるようになりました。さらに、甲羅の設計と製造も、あらゆるカメの形状に合わせて自由に設計でき、足をよりリアルなシリコン膜で覆うことで、生物学的欺瞞性を高めることができます。

ロボットの動作（速度や方向の制御機能を含む）は、ソフトロボットの基本的な機能の 1 つであり、ロボットの性能を評価する重要な指標です。これまでに研究されたほとんどのソフトロボットの移動速度は 0.02 ～ 0.8 (BL/s) です。ロボットは、硬い地形でも高速移動（0.97 BL/s）します。ソフトロボットの旋回能力は 25.4°/s に達しますが、これは超高速移動速度を持つほとんどのソフトロボットでは実現できません。ビデオに示されているように、ロボットは陸上で優れた総合的な動作能力を発揮し、センサー感知下で継続的な自律障害物回避を実現できます。テストではロボットの優れた制御性が実証され、その潜在的な用途としては未知の環境での自動動作計画や自然地形でのナビゲーションなどが挙げられます。

図3. 直進動作モードのデモンストレーション図4. 旋回動作モードのデモンストレーションまた、狭い通路に直面した場合、ロボットはその場で旋回することができます。この操作性は、狭い通路で作業を行うときに不可欠です。

ロボットがカメの水陸両用運動能力を模倣できるように、水中遊泳モードも設計されました。

要約すると、この結果は、3D プリントによって開発された低コストの柔らかい水陸両用ロボットと、非構造化環境での移動能力を実証しています。既存のソフトロボットと比較して、このソフトロボットには 5 つの独自の利点があります。まず、バイオニック脚の設計と製造は、柔らかい材料の印刷、中空構造の製造、および従来のアクチュエータの設計と製造に新しいアイデアを提供します。 2 つ目の利点は、わずか 4 つの入力を使用してロボットの動作モデリングと 6 つの歩行の開発を完了したことです。第三に、ソフトロボットの優れた耐荷重能力は、ケーブルフリーロボットの開発の可能性を示しています。 4つ目は、ソフトロボットの可動性です。同種のロボットの中で最も高い地形適応力と最も速い直線速度を持ち、また最も旋回速度が速いソフトロボットの一つでもある。最後に、人間以外の支援を受けて水陸両用上陸を実行できる能力と、生物学的形態および動作パターンの高度なカモフラージュ能力は、捜索や偵察などの軍事分野への応用に大きな可能性を示しています。

関連する結果は、「地形適応型および水陸両用着陸機能を備えた、完全に3Dプリントされたカメにヒントを得たソフトロボット」というタイトルでAdvanced Materials Technologiesに掲載されました。記事の第一著者は謝光明教授の研究グループの博士課程学生である呉明新氏であり、共同責任著者は王陳准研究員と謝光明教授です。

オリジナルリンク: https://www.researchgate.net/publication/361560126

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