積層造形
人間のような手：新しい付加製造がソフトロボティクスを実現へ
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ロボティクスの急速に進化する領域で、新たなフロンティアが出現し、分野への理解を再構築することが約束されています: ソフトロボティクスです。この革新的なアプローチは、最先端の付加製造技術のおかげで前進しています。
この記事では、ソフトロボティクスの領域を探求し、付加製造の最近の進歩がどのようにこの技術を前進させているかを検証します。
ソフトロボティクスとは何か？
ソフトロボティクスは、生物の物理的特性により近い技術を導入し、ロボットに結びつく硬直した動きを置き換えることを試みます。従来の直線的で硬直したロボット工学の特徴が高度なモデルに置き換わる生体模倣の一形態とみなされ、ソフトロボティクスは人間、動物、植物の生命を模倣します。
研究者は、 ソフトロボティクス市場 が将来的に非常に大きな機会になると見積もっており、市場規模は2022年の7億7000万米ドル以上から2030年には約220億米ドルに成長すると予測されています。これは年平均成長率（CAGR）約75％という驚異的な成長を意味します。
ハーバード・バイオデザイン・ラボによれば、ソフトロボティクスは、布、紙、繊維、粒子などの柔軟な素材を組み込んだエラストマー基体を持つ流体アクチュエータであり、軽量で手頃な価格、特定の用途への容易なカスタマイズ性から人気が高まるとされています。
ソフトロボティクスのいくつかの応用例
ハーバード・バイオデザイン・ラボは、米国だけで現在400万人の慢性脳卒中生存者が片麻痺を抱えており、世界の他の先進国でもさらに600万人がいると推定しています。これらの生存者はしばしば手の運動能力を失います。ソフトロボティクスは、モジュラーで安全、携帯可能、消耗品で家庭用の手のリハビリテーションおよび支援装置を開発することで、この課題に対処できる可能性があります。
米国における心不全の生涯リスクは約 20%. ソフトロボティクスの技術を活用し、ラボはベンチトップ心臓シミュレータと直接心臓圧縮（DCC）装置を開発しており、心不全の治療に役立つことが期待されています。
これらの有益な応用例やそれ以上に、ソフトロボティクスは患者のリハビリテーションや生活の質向上に大きく貢献できる可能性があります。ソフトロボティクスの発展に寄与する技術は、したがって、前向きに評価されるべきです。本稿では、いくつかの製造技術について議論します。
ソフトロボティクスにおける3Dプリンティングまたは付加製造技術
3Dプリンティングは、付加製造としても知られ、デジタルファイルから三次元オブジェクトを作成することです。その開発プロセスが付加的であるため、付加製造と呼ばれます。
付加製造プロセスでは、目的のオブジェクトが完成形になるまで、材料の連続した層を順次積み重ねてオブジェクトが作られます。
これらの各層は、目的のオブジェクトの薄く切り出された断面に過ぎません。付加製造は、従来の削減加工（材料ブロックから形状やサイズを切り出す）とは異なります。
3Dプリンティングまたは付加製造は通常、3Dモデル、3Dソフトウェア、3Dプリンターを使用します。このプロセスはすでに、消費財、産業製品、歯科製品、義肢、建築スケールモデルや模型、復元化石、古代遺物のレプリカ、法医学心理学における再構築証拠、映画小道具など、さまざまな分野で応用されています。
現在、実用化が見出された はソフトロボティクスというより高度な分野で実用化されています。ETHチューリッヒ大学と米国のスタートアップInkbitが共同で実現しました。
InkbitはMITからスピンオフした企業であり、ETHチューリッヒ大学の科学技術大学は1855年に遡ります。「現代スイスの創設者たちがイノベーションと知識の拠点として設立した」とのことです。
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技術の詳細
画期的な進展
ETHチューリッヒ大学とInkbitの研究が達成した画期的な進展は、付加製造または3Dプリンティングで使用できる材料の範囲を拡大したことです。従来は速硬化プラスチックに限定されていましたが、現在では遅硬化プラスチックにも適用可能となりました。この範囲拡大には多くの利点があります。
利点
- 遅硬化プラスチックは弾性特性が向上しています。
- 耐久性と頑丈さが向上しています。
- 遅硬化プラスチックにより、複雑でより耐久性のあるロボット部品の3Dプリントが可能になります。
- この技術はさまざまな高品質材料と互換性があります。
- 範囲拡大により、柔らかい、弾性的、硬質な材料の組み合わせが容易になります。
そして最後に、
- 求められる場所や形状に応じて、空洞を持つ繊細な構造や部品を作成する要件を満たします。
応用
遅硬化プラスチックにより、ソフトロボティクスと付加製造の利点を統合し、人類に長期的に恩恵をもたらすシナジーを創出することが可能になりました。
ETHチューリッヒ大学の研究者は、人間の生理学的特性（骨、靭帯、腱）をすべて備えたロボットハンドを開発に成功しました。異なるポリマーで構成されているものの、最終製品は一度のプロセスで製造可能です。
研究者によれば、遅硬化ポリマーを組み込むことができなければ、これは実現できなかったでしょう。ETHチューリッヒ大学のロボティクス教授ロバート・カッツシュマンのグループに所属する博士課程学生トーマス・ブックナーは、次のように述べています：
「現在、遅硬化チオレーンポリマーを使用しています。これらは非常に優れた弾性特性を持ち、曲げた後の元の状態への復元がポリアクリレートよりもはるかに速いです。」
チオレーンポリマーの導入は、ソフトロボティクスの原則に基づくハンド製造において画期的でした。ロボットハンドは実際の人間の手と同様に柔らかいため、怪我のリスクが低く、壊れやすい物品の取り扱いが向上します。
ソフトロボティクスと付加製造を同一プロセスで実現するため、研究者は3Dプリンティング技術にいくつかの改良を加えました。3Dレーザースキャナーをプリンティングに組み込み、各印刷層の表面不規則性を即座に検査できるようにしました。
研究者はまた、これらの不規則性を補正するフィードバック機構を導入しました。この機構は、前の層に不均一があった場合、それを考慮して各層に必要な調整を行うことを可能にしました。
ETHチューリッヒ大学は、米国のスタートアップInkbitの協力を得て、この印刷技術を開発しました。
Inkbit：印刷技術スタートアップ
2017年にダヴィデ・M・マリーニ、ハビエル・ラモス、ウォジチェク・マトシックによって設立され、InkbitはシリーズBスタートアップで、米国マサチューセッツ州メドフォードに拠点を置いています。同社の目的は、3Dプリンティングと機械ビジョンを組み合わせた次世代付加製造プラットフォームを創出することです。企業は3Dプリンティング分野で新しいソリューションの開発と革新を続けています。例えば、今年11月中旬に、複雑な多機能システムとロボットの単一印刷製造を実証しました。
1週間前に、同社は新しいソフト・ミディアム硬度エラストマーであるTEPU 50Aを導入しました。
Inkbitが対象とする領域には他にも複数の企業が存在し、彼らはすべて新しい付加製造技術を通じてソフトロボティクスの進歩を促進しようとしています。
ソフトロボティクスの進展を支援する変革的付加製造技術を持つ企業
#1. Flashforge
最近、非常に適合性の高いソフトグリッパーを備えた3Dプリントのモジュラーソフトグリッパーが開発されました。指は正圧ソフト空圧アクチュエータと機械的メタマテリアルで構成され、メタマテリアルはソフトオーキシック構造とコンプライアントリブを統合しました。プロセスで使用された3Dプリンターは、FlashForge社の低コストでオープンソースの溶融沈積モデリング 3Dプリンターです。
2011年に設立された浙江フラッシュフォージ3Dテクノロジー株式会社は、中国における最初期のプロフェッショナルな3Dプリンティング機器と材料の研究開発・製造企業の一つです。 Flashforgeの製品は世界で約100か国・地域に出荷されています。
国内外で50か国以上、600以上のブランドディーラーを展開しています。
FlashForge USAは、機関、建築家、エンジニア、デザイナー、産業ユーザー、そして広範な消費者・プロシューマー市場に対して、3Dプリンティングを広く利用可能にすることに注力しています。
推定では、Flashforgeの収益は1500万米ドル以上、FlashforgeUSAは700万米ドル以上です。
#2. NinjaTek
多数のソリューションの中で、NinjaTekのCheetah® 3Dプリンターフィラメントは、義手用の柔軟でリアルな骨を作成するために使用されました。指の設計では、柔軟な3Dプリント骨をシリコン型に埋め込み、リアルな皮膚感触を再現し、指の頑丈さと強度を向上させました。ハンドの設計・開発を担当した研究チームは、NinjaTekの半柔軟Cheetah TPUフィラメントが義手部品の設計に非常に有用であると評価しました。
NinjaTekはFenner Precision Polymersの一部です。3Dプリンティング産業向けに特殊フィラメントをエンドユーザー向けに製造しています。同社は現在、ミシュラン・グループの企業です。
Michelin Groupは2022年に285億ユーロ以上の収益を記録し、2021年の約240億ユーロに比べて増加しました。2022年の営業利益率は約12％でした。
#3. Fictiv
この分野のもう一つの重要なプレーヤーはFictivで、包括的な3Dプリンティングサービスを提供し、ソフトロボティクスの推進に強くコミットしています。その専門知識は高く評価されており、メドトロニックなどの大手医療技術企業がFictivの革新的なサービスを利用しています。
Fictivは、ソフトロボットはより適応性が高く柔軟であると考えています。さまざまなハンドルデザインを「よりよく理解し、それに応じて動きを適応させる」ことができると述べています。また、ソフトロボットは「吸引機能の簡単な追加を可能にする、物体を把持するための空気圧駆動」でもあると見なしています。
2022年5月、Fictivは資金調達の完了を発表しました。100億米ドルのシリーズEラウンドで、Activate Capitalが主導し、Angeleno Group、Cross Creek、The Westly Groupなどの新規投資家が参加しました。Fictivの他の機関投資家にはAccel、Bill Gates、G2 Venture Partners、Standard Investmentsが含まれます。シリーズE資金により、Fictivは2013年の創業以来、総投資額が1億9200万米ドルに達しました。
ソフトロボティクスにおける3Dプリンティングまたは付加製造技術：未来がもたらすもの
3Dプリンティングまたは付加製造は、高品質であり、同時に複数の材料を印刷できる能力から、ソフトロボティクスの主要技術になると考えられています。
ソフトロボットは、流体、ゲル、機能性ポリマー、その他変形しやすい材料で構成されており、伸縮や圧縮に耐えてロボットソリューションが機能し続けます。重要なのは、これらの材料が現在の3Dプリンティングまたは付加製造技術と互換性があり、より速く、より信頼性が高い点です。しかし、普遍的に適応可能になるためには、スケーラビリティの向上が必要です。
新しい付加製造技術のもう一つの利点は、高い特異性と最も複雑な形状を印刷できる能力です。
新しい付加製造技術は、ほとんどの新開発ソフトロボットに不可欠な電源の配置にも有用です。さらに、これらの3Dプリンティング技術は、電源をソフトロボット構造内部にインテリジェントに配置することを可能にします。
一方で、現在利用可能な3Dプリント可能なソフト材料は、造形プロセス中に使用される通常の力に対して自重により変形しやすく、サポート材料の使用が必要となります。この課題はさらなる開発の余地がある領域を示しています。その解決策の一つとして、キロパスカルからメガパスカルまでの圧力に耐える粘弾性ハイドロゲルが登場しています。
最近、研究グループは、後の段階で重合させることで液体のような極めて柔らかい材料を所定の位置に保持できる全方向的な技術を開発に成功しました。
別の研究チーム（デルフト工科大学の学生で構成）は、シリコーンを3Dプリントされたシェル内に鋳造できる3Dプリンティング技術を開発しました。この技術は低コストで、ソフトロボティクスが将来新たな高みを目指すのに役立ちます。
このテーマに関する研究と科学的調査が進むことで、付加製造はソフトロボティクスを医療・健康科学の分野で極めて重要なものにするでしょう。すでに、手機能が制限された人々、局所的な麻痺や関節炎に役立つソフトロボット3Dプリント手袋の開発に貢献しています。
科学者はまた、義手や、岩や砂などの不均一で粗い表面を歩行できる4脚の3Dプリントソフトロボットも構築しました。
医療・健康リハビリテーション以外にも、これらのソフトロボットは救助活動に役立ったり、危険な環境からセンサーデータを収集したりすることが可能です。
要約すると、新しい付加製造技術がソフトロボティクスの発展にもたらす機会は非常に大きく、実験室を出て公共の利益のために大規模に活用されることが求められます。
