3Dプリントはバイオミメティクスでロボティクスをより安全にできる

今月、Advanced Intelligent Systemsに掲載された研究は、バイオミメティクスを利用して筋肉のような動きを生み出す新しいタイプのロボットアクチュエータを紹介しています。これらのソフトアクチュエータにより、エンジニアは曲げたり形状を変形させたりといったユニークなタスクを実行できる柔軟なデバイスを作成できます。以下が重要なポイントです。

ソフトロボティクス

ソフト（または「非コンプライアント」）ロボットは、無限の可能性を持つ成長中の分野です。これらのデバイスは、狭い隙間や角、その他硬いデバイスでは失敗するようなシーンに合わせてシフトしたり折りたたんだりできます。そのため、ソフトロボティクス市場は拡大しており、アナリストは2029年までに年平均成長率55.4％を予測しています。

従来のアクチュエータの問題点

ソフトロボティクス分野の成長を制限し続けている要因の一つは、現在のアクチュエータの選択肢です。各アクチュエータはユニットに別の運動ベクトルを提供しますが、これらのデバイスは非コンプライアントなロボット構造全体に硬点を生み出します。この硬点が真の自由な動きを妨げます。

さらに、各可動範囲ごとに別のアクチュエータが必要です。その結果、デバイスの重量とコストが増加します。重いロボットはエネルギー消費が大きくなり、実用性、効率、生産性が低下します。

バイオミメティクスを活用したより優れたアクチュエータの作成

この研究は、人間の筋肉により近い形で同時に伸縮する新しい形態のソフトアクチュエータを掘り下げています。この組み合わせにより、より大きな力が生み出され、身体がその力をより効率的に伝達できるようになります。これまで、ロボットエンジニアは主に伸縮できるアクチュエータに焦点を当て、プロセス中の剛性についてはほとんど考慮していませんでした。

出典 – Advanced Intelligent Systems

研究者

Northwestern と McCormick School of Engineering の研究者が、新しいバイオミメティックアクチュエータの可能性を探るために協力しました。この研究は金泰京（Taekyoung Kim）が主導し、Pranav Karthik、Ryan Truby、そして McCormick School of Engineering の材料科学・機械工学のジュニア教授である Donald Brewer の協力を得ました。チームは新しい製造プロセスと作動プロトタイプを作成し、新しいバイオミメティックアクチュエータに関する詳細な研究を実施しました。

新しいタイプのアクチュエータ

チームが最初に取ったステップは、ユニット本体を3Dプリントすることでした。研究者は、曲げやねじれが可能でありながら、必要に応じて圧力に耐えられる構造を探しました。具体的には、トルクが増加するにつれてねじれ座屈により自動的に変形するベローズを備えた設計です。この動作により、ねじり荷重を効率的に伝達できるらせん形状が生成されます。

仕事に適したより良い素材

研究者は、従来の3Dプリント用アクチュエータ素材では柔軟性が不足し、タスクを完遂できないことに早期に気付きました。多くの検討の末、デバイスには熱可塑性ポリウレタン（TPU）を使用することに決定しました。この素材は日常的に使用される多くの製品に含まれています。スマートフォンケースなど、保護のために使用されるゴム状の素材です。特に、この素材は伸縮性があり、必要に応じてねじりトルクにも耐えることができます。

単一モーター

研究者が従来のアクチュエータに対して行った最大の変更点は、複数モーターの必要性を排除したことです。単一モーターを回転させるだけで、デバイスは伸縮し、さまざまな形状や方向に向くことができます。

独自の動き

単一モーター設計は、ロボットに最大限の柔軟性をもたらします。環境や目的に応じて伸縮・ねじれが可能です。また、単一モーター設計はコストを削減し、将来のデバイス設計をシンプルにします。

ロボットクローラー

チームが最初に作成したデバイスは、長さ26センチメートルのロボットクローラーです。このユニットは、サーボが加えるトルクに応じて伸縮・曲げが可能です。ロボットは、引っ張り動作を生成してミミズのように移動し、複雑な環境を1分間に32センチメートルの速度で進むことができます。

チームは公開動画でクローラーのテストを行いました。ユニットは複雑なパイプ内を進み、狭い曲がり角をクリアして自由に抜け出す様子が確認できます。デバイスは狭く曲がりくねった曲線を容易に通過しました。

クローラーテストの結果は好評でした。ロボットは最大45％の伸長が可能で、必要に応じて細長くなることができます。また、チームは最大ブロックプッシュ力が約8 Nであることを確認しました。

人工二頭筋

次にチームが示したプロトタイプはロボット二頭筋です。このデバイスは6軸ロードセル、リニアガイド、単一サーボを統合し、人間の二頭筋に似たトルクと動作を生成します。

デバイスはソフトシャフトと同じゴム素材で作られています。この設計は非線形で粘弾性の応答を提供します。これらの動作によりヒステリシス的な力-変位応答が生じ、デバイスは人間の腕のように物体を巻き込むことができます。

エンジニアはロボット二頭筋の性能をテストしました。ユニットは500gの重りを5,000回持ち上げ、故障なしで成功しました。この結果は新しいロボット動作アプローチの再現性と有効性を示しています。

テスト

テスト段階は、研究者がこのデータを活用して将来の設計を改善するための貴重なフィードバックを提供しました。エンジニアは、アクチュエータトルク、押引圧力、引張強度、その他の重要な応力テストなど、最大性能を判断できる情報を収集しました。

利点

研究者の研究は市場に大きな影響を与える可能性があります。ソフトロボティクス分野は拡大し続けており、これらのデバイスが生産に入るにつれて、その利点がますます顕在化しています。以下は、この研究がソフトロボティクス市場を前進させるいくつかの方法です。

ロボットをより安全にする

ソフトロボットの開発が推進される主な理由の一つは、作業環境での安全性が格段に高いことです。製造業者がロボットを労働力に統合しようとすれば、人間とロボットが隣り合って作業する機会が増えます。多くのシナリオで、ソフトロボットははるかに優れた作業パートナーとなります。

例えば、衝突した際に人に与える危害が少ないです。金属パイプにぶつかるだけでも痛みがありますが、金属デバイスが動いて衝突すれば痛みは増幅します。ソフトロボットは軽微な衝突やぶつかりによる怪我を減らすことができます。

ソフトロボットは、従来のロボットでは危険と見なされる環境でも作業可能です。例えば、将来的には家畜の飼育支援に活用できるでしょう。現時点では、これらのデバイスは従来のハードロボットに比べ、人間中心の環境に適しています。

低コスト

この研究の最大の利点はコスト削減です。ロボットサーバーやハードロボットの製造は高額で、長年にわたり大手メーカーに限られたものでした。最近のブレークスルーにより、小規模事業者でも参入しやすくなっています。

この最新の開発によりコストはさらに低減されました。研究者の文書によれば、使用したロボットプロトタイプはサーボを除き材料費がわずか3ドルです。この低価格な代替手段により、ロボットが実行できる多くのタスクがコスト制約のために未使用だった状況が解消されます。近い将来、低コストのソフトロボティクスが日常生活で活躍するようになるでしょう。

一般的な3Dプリンターを使用する

別のブレークスルーは、3Dプリンター対応のバイオミメティックアクチュエータの導入です。市販の3Dプリンターでこれらのデバイスを製造できるようになれば、誰でも研究者の成果を取り入れ、新しい革新的なソフトロボット設計を創出できます。

統合

研究者は、新しいアクチュエータが現在のロボット設計にシームレスに統合できることを誇りに思っています。このステップは採用を促進し、イノベーションを効率化します。また、より多くのエンジニアがこの戦略を活用することで、研究者は即座にフィードバックを得られます。

現在の市場リーダー

ソフトロボティクス市場は主要プレイヤー間で激しい競争があります。最近の調査によると、上位5社が市場の40％を占めています。同調査では、北米が導入率でリードしていることも判明しました。主なメーカーにはParker Hannifin、SRT、Myomo、Bionik Laboratories、Panasonicが含まれます。

1. Cyberdyne

Cyberdyneは、AI、ロボティクス、情報システムを融合させ、新たな効率と機能性を実現しようとするサイバネティクス技術企業です。同社はサイバネティクス市場の先駆者であり、ソフトロボティクスデバイスの主要な研究・製造企業の一つとして認識されています。

Cyberdyneは顕著な成長を遂げました。同社の売上は1年で¥2.15億から¥3.29億へと52％増加しました。この成長の多くは医療機器分野での成功に起因しています。

2. Soft Robotics

Soft Roboticsはこの分野のもう一つの主要プレイヤーです。同社は自動化製造と農業タスクを専門としています。デバイスは高度なビジュアル検査ソリューションとAIアルゴリズムを統合し、正確なピック、ソート、判定が可能です。

Soft Roboticsは、3DビジョンとAIを活用したソフトグリップハンドを導入し、人間だけが可能だった複雑な作業を実現しています。これらのデバイスは、農家に高速なピッキング、ソート、パッケージング機能を提供します。特に、Soft Roboticsはソフトロボットが生産性を向上させる好例です。

3. Ekso Bionics Holdings

Ekso Bionics Holdingsは、エクソスケルトン技術の世界的リーダーです。同社の技術は医療と製造の両方にわたる多様な役割を果たしています。現在、リハビリテーション、治療、移動障害者の支援に特化したさまざまなエクソスケルトンを提供しています。

Eksoは上半身と下半身のエクソスケルトンの両方を提供しています。これらのデバイスは、装着者がより遠くへ移動し、より多くの荷重を持ち上げ、疲労なくより大きな負荷に耐えることを可能にします。同社のポジショニングと先駆的製品は、2022年以降の大幅な収益増加に貢献しています。

バイオミメティックアクチュエータから恩恵を受ける可能性のある企業

多くの企業が研究者の研究を活用し、現在の製品を改善できる可能性があります。これらの企業はすでに市場で活動しており、効率向上、コスト削減、製品改善といった点でこの技術から恩恵を受けることが期待されます。

ReWalk Robotics

ReWalkはバイオニック歩行システムの提供者です。同社は革新的なアプローチとフォーカスにより、数千人の人々の移動能力回復を支援してきました。ReWalk Roboticsは、パラプレジア患者が独自の製品で生活のコントロールを取り戻すことを目指しています。

ReWalkのバイオニック歩行アシスタントは、サーボ駆動のレッグストラップ、バックパック型バッテリー、手首装着型リモコンを備えています。このデバイスは、指示に応じて動作させることも、動きを自動検知することも可能です。このモードでは、最小限の労力で装着者の動作を支援します。

ReWalk Roboticsは市場でのポジショニングにより「買い」のコンセンサス評価を受けています。同社は独自のデザインと製品で業界の限界を押し広げています。AIやバイオミメティックアクチュエータなどの追加技術導入により、将来的にユニットのコストが大幅に削減される可能性があります。

RightHand Robotics

RightHand Roboticsは別のソフトロボットメーカーです。同社はボストンに拠点を置き、市場に効率的なピッキングソリューションを提供する製品群を展開しています。同社は小売業者がロボットによるソートオプションを活用し、オンラインコマースを効率化できるよう支援することを目指しています。

特筆すべきは、RightHand Roboticsがその取り組みで数々の賞を受賞していることです。同社はNew England Venture Capital Association（NEVY）アワードで「ロボティクス・オブ・ザ・イヤー」に選ばれました。

バイオミメティクスはすべての人の生活をより楽にするでしょう。

将来的にロボットはさらに多くの役割を担うでしょう。ソフトロボットは、従来のユニットに比べて人間と共に働くのに適しているため、この統合を促進します。現在、エンジニアが行った研究は、ロボットを希少なものから、誰でも購入できる手頃な価格帯へと変える可能性があります。そのため、これらの展開を注視することが賢明です。

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