UCLA の Zheng Xiaoyu 教授: 3D プリントされたロボットメタマテリアルは環境を感知し、自律的に移動できます。

出典: 高分子科学の最前線

人工知能技術の進歩により、インテリジェントロボット産業が勃興し、繁栄しました。実際、「ロボット」という言葉は、1921年にカレル・チャペックが創作したSF劇の中で初めて登場しました。

現在のロボットのほとんどは、サイズに関係なく、手足、電子機器、能動部品を統合する一連の複雑な製造工程を経て構築されるのが一般的です。多機能メタマテリアルから構築されたロボットは、異なる機能を提供する個別のコンポーネントから構築されたロボットに比べて特定の利点があります。メタマテリアルは、望ましいマクロ特性を示すように設計された繰り返しパターンで構成された合成構造です。バルク材料とは異なり、メタマテリアルの動作は、材料の組成のみによって決まるのではなく、設計された構造によって決まります。 3D プリントなどの付加製造技術により、複雑なメタマテリアルの製造が加速し、その規模はますます小さくなり、これまでにない機能も実現しています。従来、製造ロボットは個別のアクチュエータ、センサー、マイクロプロセッサ、電源の組み立てに依存してきました。ロボットのメタマテリアルは、メタマテリアルの周期的な構造内で自律性を構想することで、このパラダイムに挑戦します。

歴史的に、メタマテリアルの研究は、通常のレンズやミラーの能力を超える調整可能な光学特性を備えたメタマテリアルなどの光学アプリケーションに主に焦点を当ててきました。しかし近年、研究者たちはこの設計原理を他の分野にも取り入れる傾向が強まっています。たとえば、伝動ギアを使用せずに直線運動を回転運動に変換できる機械メタマテリアルや、剛性や変形などの体積特性を必要に応じて調整できるモザイクロボット群などです。ロボット用メタマテリアルを作成するもう 1 つのアプローチは、構造内に「ロボットタスク」を組み込むことです。たとえば、電気信号によって変形を制御できるメタマテリアルを設計することができます。

これを踏まえて、サイエンス誌の最新号では、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の鄭暁宇教授のチームの新たな研究結果がオンラインで公開された。チームは、ロボットをワンステップで構築できる新しい設計戦略と 3D プリント技術を開発しました。第一著者はCui Huachenです。

具体的には、著者らは、さまざまなロボットタスクを実行できる受動相、圧電活性相、および導電相で構成される圧電メタマテリアルを合理的に設計する方法を開発しました (図 1)。ねじれなどの望ましい変形モードは、構造の個別の平面を通る一連の動作として近似されます。次に、これらの平面の許容される動きにより、目標の動きを生み出すために圧電メタマテリアル内で構造位相、アクチュエータ、および電極をどのように構成する必要があるかがわかります。古典的な弾性理論では、弾性材料の変形は張力、圧縮、せん断によって特徴付けられます。著者らは、並進運動に加えて回転運動を組み込むことで、マイクロポーラ弾性を適用し、古典的な弾性を拡張します。このアプローチにより、圧電メタマテリアルのマクロ的な膨張、せん断、ねじれ、曲げが、その微細構造、分極、印加電界に与える影響をより包括的に評価できるようになります。

△模式図

実験デザイン<br /> 建築材料の核となる概念は、3D ユニットセルトポロジー内で材料を制限なく配置し、天然結晶に固有の制限を回避したり、それらを模倣して望ましい特性を実現することです。この目的のために、著者らは、3D 空間で圧電活性、導電性、および構造相を構築するための便利で強力な戦略を導入しました (図 1A)。既存の圧電テンソルはすべての自由度を記述するには不十分であるため、著者らは建築用圧電材料のひずみ変換を記述するために、コセラ立体に基づく一般化圧電テンソルを定義しました (図 1B)。微細構造の詳細な構造（単位セル）を図 1C ～ 1K に示します。

△ 図1. 任意のひずみパターンを持つロボット用メタマテリアルの合理的な設計

ロボット用メタマテリアルの付加製造<br /> 著者らは、圧電活性相、構造相、導電性相を複雑な 3D マイクロアーキテクチャに組み立てることができる、電荷プログラム型マルチマテリアル積層製造技術を開発しました。まず、図 2A に示すように、負に帯電した樹脂と高濃度ナノ粒子コロイドをマルチマテリアル 3D 印刷システム (材料と方法) で印刷しました。次に、導電性相を帯電樹脂上に選択的に堆積させ、電極を備えた3Dマイクロアーキテクチャを形成します（図2B）。さらに、酸化鉛は液体シールと鉛を多く含む環境を提供し、800°C を超える温度で PZT からの鉛の蒸発を抑制します (図 2D)。この 3D 製造方法により、精密なマイクロスケールの 3D 構造と低多孔性を備えた圧電活性材料を製造することができます (図 2E ～ 2H)。要約すると、著者らは、空間的にプログラムされた静電荷を備えたマルチマテリアルステレオリソグラフィーシステムを使用し、選択された領域に導電性金属と圧電特性で装飾された 3D セラミック格子を製造しました。

△ 図2. マルチマテリアル製造プラットフォーム

マルチDOF増幅とプログラムされた歪み<br /> 付加的に製造されたロボット用メタマテリアルは、電界から機械的ひずみへの双方向変換を利用して、動作と感知を生成できます。逆圧電効果によりロボットに作動機能が与えられ、一方、直接および双方向の圧電効果により、それぞれ固有受容覚（自己監視）と外部受容覚（接触検出とリモートセンシング）を介したフィードバック制御が可能になります。メタマテリアルのトポロジーにより、圧電活性柱上に電極を直接配置できるため、より強力な電界が生成され、作動歪みが増幅されます。

△ 図3. ロボット用メタマテリアル設計の実験的検証

同時に、著者らは、動き回って周囲を感知できる軽量のマイクロ複合 3D 格子に、作動と知覚を巧みに組み合わせました。その後、著者らはオンボード制御システムと電源を設計することで、非接続型実装に向けて一歩前進しました。このようなシステムレベルの統合は稀ではあるものの、現実世界のシナリオにおいて急速に進化するロボット材料の潜在能力を最大限に引き出し、その欠点を特定できる可能性があります。ここで説明したモバイル圧電メタマテリアルを考慮すると、圧電活性要素の配線は、その多機能性を高める上で依然として制限要因であり、電力の分配と分散制御は克服する必要のある障害のままです。これらの制限にもかかわらず、著者らは、移動性と自由な自律性が必須でない場合は、圧電アーキテクチャの一部を、6 自由度、つまり 3 つの軸すべてに沿って移動し、3 つの軸すべてを中心に回転する機能を備えたコンパクトな 3D プリントマニピュレーターとして使用できることを実証しました。

△ 図4. 刺激応答型マルチモード移動マイクロロボット

△自律知覚・ナビゲーションロボット

著者について

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の Xiaoyu (Rayne) Zheng 教授の研究グループは、力学、光学、材料科学の原理を活用して、次世代の付加製造 (3D 印刷) プロセス、材料設計、合成方法を開発し、制御可能なトポロジー、構成、マルチスケール機能を備えた多機能材料と統合デバイスを作成します。このグループは、これらの材料を、電子機器、構造、ロボット工学、エネルギー貯蔵および伝導から生物学やヘルスケアまで、幅広い用途に応用することに積極的に取り組んでいます。 Xiaoyu (Rayne) Zheng 教授のグループによる、超軽量、超強力、弾性材料のスケーラブルな付加製造方法に関する研究は、MIT Technology Review のトップ 10 イノベーション、R&D 100 マガジン、Science マガジンで取り上げられ、Nature Materials の表紙を飾りました。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1126/science.abn0090

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