ソフトロボティクスにおける感覚拡張にセラミックは鍵となるか？ 触覚と温度を含めて

好き嫌いに関わらず、次の同僚はロボットになるかもしれません。今日、ますます多くの人が自律型マシンと共に働いています。これらのデバイスは、アイテムの仕分けから手術の実施まで、さまざまな作業に最適です。そのため、感覚の範囲を拡大し、デバイスが環境をよりよく理解できるようにする強い需要があります。

ロボットが人間の手のように感覚を持ち、物体を操作できる時代が近づいています。最近、Empa のエンジニアチームが感覚ロボットの概念をさらに一歩進めました。ここでは、セラミックが温度、触覚、圧力などを感知できるロボットを作る鍵となり得る方法についてすべてご紹介します。

スマートセラミックス研究

“The Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”（¹）という研究は、Advanced Intelligent Systems に掲載され、エンジニアが先進的なセラミックを利用して感覚を持つロボット部品を作成した方法を詳述しています。論文では、電気パルスとロボット表面に直接統合されたセンサーを活用した人工感覚デバイスの作成について深く掘り下げています。

ソフトセラミックス

プロジェクトを理解するには、まずセラミックが多様な形態を持つことを認識する必要があります。装飾品やキッチン用品を思い浮かべるかもしれませんが、高性能セラミックも存在します。これらは電気を導通し、現在の多くの電子機器に堅固な構造を提供しています。特に、研究者はさまざまなセラミックを実験し、その挙動と能力を記録することから取り組みを始めました。
試験中、チームはこの材料を微細な粒子に分解し、熱可塑性マトリックスに埋め込んだ方法を詳細に報告しました。興味深いことに、プロフェッショナルな 3D プリンターを使用して埋め込みプロセスを正確に完了させました。その後、伸縮性プラスチックを操作し、エンジニアはさまざまな弾性と位置で材料の挙動を記録できました。

高性能セラミックステスト

ソフトセンサー材料は、温度、ひずみ、圧力、湿度を検出できるかどうかテストされました。これらのデバイスは電気パルスを用いてさまざまな感覚を検出できました。その後、チームはセラミックフィールドマトリックスを利用して義手を作成しました。

義手

義手はソフトセンサーの精度と感度をテストするために使用されました。センサーは熱と圧力を検出するように設計されており、さらに材料は手の他の部分に対する位置も把握できました。研究は、圧力を感知し、他者に触れた際に反応できる手の作成に成功したと結論付けました。

ロボットスキン

研究者の次のステップはロボットスキンの作成でした。チームは多層セラミックマトリックスを作り、特別な層構造でセラミック粒子を配置し、触覚と温度変化をモニタリングできるようにしました。このロボットスキンは人間の皮膚のような外観と感触を持ち、人間の近くで作業するロボットにとってスマートな選択肢となります。その後、チームは AI モデルの作成に取り掛かりました。

スマート義肢

AI モデルは環境と条件に基づいて手の反応を制御します。具体的には、AI モデルは 4500 件の測定と筋肉の動きを用いて訓練されました。この訓練は ETH Zurich と東京大学のエンジニアと共同で実施されました。義肢は組織統合型圧電抵抗センサーを使用し、動きから電力を生成してバッテリー不要にしています。

結果

研究結果は、人間と安全に協働できるロボットの開発方法を正確に示しています。これらのデバイスは人に衝突したことを認識し、後退して怪我を防止することができます。さらに、システムの AI は各インタラクションから継続的に学習し、感覚を持つ初の固有受容性バイオハイブリッドロボットとなっています。

潜在的な応用

この技術には多くの応用が考えられます。高度な AI システムと感覚ロボットを組み合わせることで、より安全な機械の開発が進むでしょう。これらのユニットは人間だけが可能だった作業を遂行でき、環境を感知して条件に応じて行動を調整できるため、汎用性が向上します。

ソフトロボティクス

ソフトロボティクスは従来の方法ではなく、柔らかい素材を利用したデバイスです。ソフトロボットはさまざまな形態を取ります。例えば、ロボットソーターは果物やデリケートな製品を損傷なくピックアップして移動させる必要があります。感覚皮膚やその他の改良により、人間の手のように操作できるようになり、大幅なアップグレードが期待されます。

ソフトロボットは最近いくつかの理由で注目を集めています。人に衝突しても危害を与えません。また、困難な地形を乗り越えるために形状を変えることができます。この開発により、ソフトロボットは近い将来、温度と圧力を感知できるようになるでしょう。

ヘルスケア

ロボット外科医を専門とする企業がいくつかあります。これらのデバイスは精密さと光学センサーを使用してユニットを誘導します。圧力と温度センサーの導入により、ロボットは患者の状態に合わせてより精緻な手術を実施できるようになります。

特に、スマート義肢は何百万人もの患者により良い生活の質を提供できる可能性があります。次世代の製品は複数の感覚を組み込むことで、患者に自然な体験を提供します。また、最近の脳コントローラのブレークスルーと組み合わせることで、患者の代替義肢が元のものよりも高性能になる日が来るかもしれません。

捜索救助

ソフトロボットは捜索救助分野で特別な役割を果たしています。これらのデバイスは人間がアクセスできないような険しい環境を移動できます。ヘビのようにくねくねと動いたり、小さな昆虫の形状を取ったりすることが可能です。驚くべきことに、これらのデバイスはすでに災害地域で使用され、命を救う手助けをしています。ロボットは危険な災害ゾーンに入り、他の救助者が到達する前に重要な支援を提供できます。

将来的には、このデバイスが救助が必要な人々を特定し、バイタルサインの定期的なスキャンを実施して救助者に患者の状態に関する重要なデータを提供できるようになるでしょう。また、ロボットは熱や化学物質などの危険を救助者に通知しながら、負傷者を回収する最適なルートを評価するために使用されます。

農業

世界の農家は常に効率を向上させる簡便な方法を探しています。世界人口が増加する中、農家は需要増に応えるためにイノベーションを続けています。ソフトロボティクスは、作物の準備、植付、収穫、品質管理を支援できます。これらのデバイスは AI システムと統合でき、果実が熟しているか腐っているかを高精度で判定する能力をさらに向上させます。

研究者

Empa の高性能セラミックス研究所が本研究を主導しました。チームはケンブリッジ大学と協力して AI 搭載義肢を開発しました。現在、チームは取り組みを拡大し、より高度なロボティクスの創出と AI モデルの機能拡張を目指しています。

この研究から恩恵を受ける可能性のある企業

ロボティクス産業は成長中です。そのため、今後数年で製造ラインに投入されるユニットが増えると予想されます。ロボットはリスクとコストを削減し、品質を向上させます。結果として、より多くの企業がロボット導入を検討しています。以下は、今後数か月でこの研究を最大限に活用できると考えられる企業の一例です。

Zebra Technologies

Zebra Technologies (ZBRA ) は 1969 年に市場に参入し、当初は Data Specialties Incorporated として設立されました。同社の創業者である Ed Kaplan と Gerhard Cless は、ユーザー体験を向上させ、革新的なソリューションを提供できるソフトウェアとハードウェアの企業を作りたいと考えました。彼らはバーコードスキャナを最初に提供した企業になるなど、複数の技術を先駆けて開発することに成功しました。

1986 年に同社は Zebra Technologies にブランド変更しました。現在、同社はロボティクス、サービス、ソフトウェアソリューションの主要プロバイダーとして知られています。特に、fetch100 Roller と fetch100 Shelf は製造施設内を自律的に移動し、トートをソート・配送できるロボットです。このロボットはすでに世界中で使用され、高い評価を受けています。

Zebra Technologies は、いくつかの理由からポートフォリオに加える価値のある企業です。まず、同社は長期にわたり成長を続けてきました。2002 年の Forbes 雑誌の「200 Best Small Companies in America」でも言及されるなど、数々の賞を受賞しています。

同社の株式（シンボル：ZBRA）は、今年に入ってから大幅かつ安定した成長を遂げました。時価総額は 198.08 億ドルで、PER（TTM）は 51.82 です。この成長は、新製品のリリースとロボティクス・AI システムへの進出が相まって実現しました。

ロボティクスにおけるセラミックス

高性能セラミックスのロボティクスへの活用は、今後市場を変革するでしょう。本研究は、ロボットが人間に似た感覚で物体を感じ取れるようになることを示しており、リスクを低減し生産性を向上させながら人間と協働できるようになります。そのため、将来的にロボットの同僚が現れることに備えておくべきです。

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Study Reference:

^{1. Filippi, M., Balciunaite, A., Georgopoulou, A., Paniagua, P., Drescher, F., Nie, M., Takeuchi, S., Clemens, F., & Katzschmann, R. K. (2024). Sensor-embedded muscle for closed-loop controllable actuation in proprioceptive biohybrid robots. Advanced Intelligent Systems. https://doi.org/10.1002/aisy.202400413}