ハンズフリーで任天堂を操作するにはどうすればいいですか?流体回路を備えた 3D プリントされたソフトロボットフィンガーが発売されました。

出典: 江蘇レーザー連盟

電気ではなく水や空気を動力源とする新しいタイプの柔軟なインフレータブルロボットの開発に焦点を当てたソフトロボティクス分野における有望なイノベーションが、最新号の『サイエンス・アドバンス』の表紙で取り上げられています。ソフトロボットの本来の安全性と適応性により、義肢や生体医療機器などの用途での使用に関心が集まっています。残念ながら、これらのソフトロボットを曲げたり動かしたりする流体を制御することは、これまで特に困難でした。

過去 10 年間にわたり、ソフトロボティクスの分野は、従来の剛性ロボットでは実現が困難または不可能なアプリケーションに特に適していることが証明されてきました。流体手段（油圧や空気圧など）によって作動する柔軟な材料を利用することで、ソフトロボティクスには、特に人間とロボットの相互作用の安全性、コストの削減、および幾何学的に複雑で繊細な物体への適応性という点で、多くの固有の利点がもたらされます。しかし、現在、ソフトロボットの実用化に対する主な障壁は、独立して動作するソフトアクチュエータの数（または自由度）を増やすには、多くの場合、同じ数またはそれ以上の異なる制御入力が必要になるという要件に起因しています。このような外部制御スキームの必要性を減らすか排除するために、研究者は流体ロジックを通じてソフトロボットの自律性を高めるさまざまな方法を研究してきました。

スタンドアロンの流体回路をソフトロボットに手動で接続する取り組みとは対照的に、そのような機能をソフトロボットシステムに直接埋め込む機能への関心が高まっています。しかし、この製造方法は導入以来、ソフトリソグラフィーベースの流体回路に依存しているためか、ソフトロボット分野では広く採用されていません。具体的には、統合流体回路の製造に多層ソフトリソグラフィ手法を使用すると、次のような多くの課題が生じます。(i) マイクロファブリケーションプロトコルを実行するためのコスト、時間、および/または労働要件、(ii) アクセスおよびトレーニングの制限 (クリーンルーム施設および機器の使用など)、(iii) ユーザーのスキルに基づく手動調整手順による機器の有効性および/または再現性の変動、(iv) リソグラフィおよびマイクロモールディングプロセスに固有の幾何学的 (つまり、平面または「2.5D」) 制限。さらに、研究者らは広範囲の流体バルブ機能を実証しましたが、特に圧力増加操作に基づくより複雑な機能を実現することは、このタイプの製造方法では簡単ではありません。

ここで、メリーランド大学の研究者は、マルチマテリアル「PolyJet 3次元 (3D) 印刷」を介して、1回の印刷で完全に統合された流体回路を備えた統合ソフトロボットシステムを付加的に製造する新しい戦略を紹介します (図 1)。最初に、流体回路要素、相互接続部、アクセスポートなどのモジュールコンポーネント、およびソフトロボットアクチュエーターと構造メンバー (図 1A) をコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアで設計および組み立てて、完全に統合された流体回路を備えたソフトロボットの 3D モデルを生成します (図 1B)。研究者らはソフトロボットや流体回路の分野で幅広い積層造形技術を使用してきましたが、PolyJet 3D 印刷は、両方のクラスのシステムを統合されたエンティティとして同時に製造するのに特に適していると考えています。PolyJet 印刷は、インクジェットベース (「マテリアルジェッティング」) のプロセスであり、複数の光反応性および犠牲サポート材料を並行して (連続 UV 照射で) 分配して、ラインごと、レイヤーごとに 3D オブジェクトを生成します。これまで、研究者らは、PolyJet 印刷を使用して、ソフトアクチュエータやロボット (つまり、流体回路なし)、およびスタンドアロンの流体バルブを構築したと報告しています。しかし、この研究では、研究者らは、すべてのソフトアクチュエータ、ボディ機能（任意の設計）、流体回路要素、相互接続、ポートを含む完全に統合されたソフトロボットシステムを、1回の印刷で積層製造しました（図1、CおよびD）。このプロセスでは、(i) 柔軟なフォトポリマー (図 1C、黒)、(ii) 剛性フォトポリマー (図 1C、白)、(iii) 犠牲的な水溶性サポート材料 (図 1C、黄色) の 3 つの異なる材料を同時に印刷する必要があります。犠牲サポート材料を使用する場合の注意点の 1 つは、印刷プロセス後に、外側の領域だけでなく、内側の空隙やチャネルからも犠牲サポート材料を除去または溶解する必要があることです (図 1E)。研究者らは、サポート除去プロセスを最小限に抑える(42、43)、あるいは完全に回避する(40、44)ためのさまざまな技術を実証してきましたが、幅広いアクセス性を促進するために、ここでは手動の除去ステップ(たとえば、数十分程度)と自律溶解プロトコルを組み合わせたハイブリッドアプローチを使用します。ポリジェットベースの積層造形と後処理のアプローチ（その大部分は自律的）を組み合わせると、1 日もかからずに実行でき、完全に統合された流体回路を備えた 3D マルチマテリアルソフトロボットを実現できます (図 1F など)。

▲ PolyJet 3D プリンティングは、完全に統合された流体回路を含むソフトロボットシステムの設計と積層造形戦略を 1 回の印刷で統合します。図: (A) 流体回路要素、流体相互接続、ソフトアクチュエータ、構造ハウジングのモジュール式 3D CAD モデルと電子回路のようなシンボル。 (B) 完全に統合された流体発振回路を備えた統合ソフトロボットの CAD モデルと対応するシミュレーション回路図。 (C) 柔軟（黒）、剛性（白）、水溶性サポート（黄）材料を使用したマルチマテリアルPolyJet 3Dプリントソフトロボットの概念図。 (D) PolyJet 3D 印刷プロセスの連続タイムラプス画像。スケールバー、5cm。 (E と F) 流体回路を統合した統合マルチマテリアルソフトロボットの製造結果。(E) サポート材料の除去前と (F) のサポート材料の除去後。スケールバー、2 cm。

これまで、ソフトロボットハンドの各指には通常、独自の制御ワイヤが必要であり、携帯性と実用性が制限されていました。しかし、この統合流体トランジスタを使用してロボットハンドを 3D プリントすると、単一の圧力入力に基づいて任天堂のゲームをプレイできるようになります。

デモンストレーションとして、チームは単一の制御圧力の強さに基づいて手を動作させることができる統合流体回路を設計しました。たとえば、低い圧力をかけると、任天堂のコントローラーを人差し指だけで押すとマリオが歩きますが、高い圧力をかけるとマリオはジャンプします。オフ、低、中、高の圧力を自動的に切り替える設定プログラムの指示に従って、ロボットはコントローラーのボタンを押して、スーパーマリオブラザーズの最初のレベルを 90 秒以内にクリアすることができます。

現在、チームは、リハビリテーション機器、手術器具、カスタマイズ可能な義肢など、バイオメディカル用途への技術の応用を検討しています。ソコル氏はフィシェル生物工学部の準教授であり、メリーランド・ロボティクス・センターおよびロバート・E・フィシェル生物医学機器研究所のメンバーでもあるため、チームは差し迫った課題に対処するための戦略を継続的に推進できる独自の環境を持っています。バイオメディカル分野。

出典: Joshua D. Hubbard 他「流体回路を統合した完全 3D プリントソフトロボット」、Science Advances (2021)。DOI: 10.1126/sciadv.abe5257

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