メリーランド大学のトップジャーナル研究: 流体回路を統合した完全 3D プリントソフトロボット

はじめに：2021年7月18日、Antarctic Bearは、メリーランド大学のエンジニアが3Dプリント技術を使用して、Nintendo Entertainment System（NES）をプレイできるソフトロボットアームを開発し、それを使用して「スーパーマリオブラザーズ」を完成させたことを知りました。すごいですね！また、この研究はトップジャーナル「Science Advances」にも掲載されており、その最先端性と価値の高さがうかがえます。興味のある読者は記事末尾のダウンロードリンクから入手できます。

研究者らがストラタシスのポリジェット技術を使用して印刷した3本指のソフトロボットは、完全に統合された流体回路を備えており、その動きは電気ではなく空気圧によって駆動されます。研究者らは、ピアノ曲の演奏など、手のパフォーマンスを評価するための標準的なデモンストレーションを選択することもできたが、ビデオゲームの精度と目標指向性の方がより良い実験対象であると判断した。
「ピアノではテンポを任意に設定でき、音を間違えるなどのミスをしても大きなペナルティはありません」と研究の共著者であるライアン・ソコル氏は書いている。「対照的に、ビデオゲームのタイミングとレベル構造は事前に決定されていて不変であり、1つのミスで即座にゲームオーバーになる可能性があるため、スーパーマリオブラザーズのようなゲームをリアルタイムでプレイすることはユニークな課題であり、ソフトロボットのパフォーマンスを評価する優れた手段となります。」驚くべきことに、3Dプリントロボットは実際にスーパーマリオブラザーズの最初のレベルをクリアしました。
△3Dプリントされたソフトロボットハンド。写真提供：メリーランド大学
ソフトロボットとは何ですか？
名前が示すように、ソフトロボットは可塑性と変形可能性を特徴とする特殊なタイプのロボットです。これらは通常、ゴムやシリコンなどの柔軟な材料で作られており、長年にわたり医療や製造の用途で使用されてきました。
ソフトロボットは複雑な構造に沿って形を変えたり拡張したりできるため、組織を損傷するリスクをほとんど負わずに人体に埋め込むことができます。このため、これらは、外科用器具、薬物送達装置、カスタム義肢などの用途の研究にとって重要な分野となります。さらに、大量生産施設にも導入されつつあり、企業は生産ラインにソフトロボットグリッパーを導入するケースが増えています。
図 1. 単一の印刷プロセスで完全に統合された流体回路を含む統合ソフトロボットシステムを PolyJet 3D 印刷するための設計と積層製造戦略。 (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 モデルと類似の電子回路シンボル。 (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。写真出典。ルーベン・アセベド、メリーランド大学カレッジパーク校。
「これらの特定のタイプのロボットは、水や空気などの流体を動力源として使います」とソチョル氏はメディアに説明した。「ソフトロボットは、比較的簡単に伸ばしたり、膨らませたり、縮めたりすることができます。その結果、ソフトロボットは本質的に適応性があり、複雑で時には壊れやすい物体の周りで形を変えることができます。」

ソフトロボットの実験は、3D プリンティングの分野でも一般的です。今年初め、ハーバード大学の研究者らは、Wi-FiやGPSの助けを借りずに複雑なパターンで泳ぐことができる柔らかいロボット魚の群れを3Dプリントした。チームの「ブルーボット」は、サンゴ礁に生息するユニークなクロハギからヒントを得たもので、クロハギは正確なナビゲーションを可能にする4つのひれと、衝突することなく群れをなして泳ぐことを可能にするLEDとカメラのシステムを備えている。
一方、中国の天津大学の科学者たちは、産業施設のパイプラインをリアルタイムで拡大縮小し監視できるカスタマイズ可能なロボットを3Dプリントしたことがある。この一体型デバイスは、一連のソフトベンディング機構とモジュール式グリッパーを備えており、奇妙な形状のインフラストラクチャを柔軟に登ることができます。
△ソコル氏の研究チームは、3Dプリントされたロボットハンドを使って「スーパーマリオブラザーズ」をプレイした。写真提供：メリーランド大学
3D プリント統合流体回路<br /> では、Sochol の 3D プリントロボットのデザインがこれほどユニークなのはなぜでしょうか?メリーランド大学の研究者らは、いわゆる「流体回路」、つまりロボットの指を制御できるチューブを組み込んだ。従来の電子マイクロチップのように半導体トランジスタを使用してスイッチング信号を送信するのではなく、3D プリントされたソフトロボットは各指に圧力センサーを使用します。指の動作は、手の中を流れる空気圧によって制御されます。 △手の指を制御するために使用する流体回路。画像はメリーランド大学より。
ソチョル氏は次のように付け加えた。「ここで特別なのは、空気の圧力の種類を感知してその動作を決定できる新しいタイプの流体回路を作ったことです。たとえば、圧力がかかっていないときは、どの指も作動しません。空気圧が低いときは、人差し指だけが作動します。中程度の圧力では中指が作動し、高い圧力では最後の指が作動します。手のひらを通過する空気圧のさまざまな組み合わせをプログラムすることで、チームは NES コントローラーで 1-1 の世界を旅し、すべての城を避けて、マリオが最後に旗竿に到達できるようにしました。」
ソフトロボティクスの開発を進め、アクセシビリティを高めるために、ソコル氏と彼のチームは、ロボットの設計ファイルを GitHub でオープンソース化してくれました。この研究の詳細については、「流体回路を統合した完全 3D プリントソフトロボット」という論文をご覧ください。
関連論文リンク: https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257

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