積層造形
人間のように動く手：新しい付加製造技術がソフトロボティクスを現実にする
ロボティクスの急速に進化する分野では、新しいフロンティアが現れ、ロボティクスに対する私たちの理解を再定義することを約束しています：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進歩により、飛躍を遂げています。
この記事では、ソフトロボティクスの世界を探索し、最近の付加製造技術の進歩がこの技術をどのように推進しているかを調べてみます。
ソフトロボティクスとは何か
ソフトロボティクスは、生体の物理的特性に近い技術を導入し、ロボットに関連する硬い動きを置き換えることを目指しています。伝統的なロボティクスの線形で硬い特性を置き換えることで、生物、動物、植物の生活を模倣する、バイオミメティクスの形式です。
研究者は、ソフトロボティクス市場が将来に大きな機会になることを予測しています。2022年の770万ドル以上から2030年までに220億ドルに成長することを予測しています。これは、約75%のCAGR成長を意味します。
ハーバード・バイオデザイン・ラボによると、ソフトロボティクスは、流体アクチュエーターに弾性マトリックスを組み込み、柔軟な材料を組み込むことで、軽量、低コスト、簡単にカスタマイズできるため、人気を博すことになります。
ソフトロボティクスの応用例
ハーバード・バイオデザイン・ラボによると、アメリカには40万人の慢性の脳卒中による半身不随の患者がいます。また、他の発展途上国には60万人の患者がいます。これらの患者は、手の運動能力を失うことがよくあります。ソフトロボティクスは、モジュラー、安全、携帯可能、消耗可能、自宅での手のリハビリテーションと支援デバイスを開発することで、この課題に対処するのに役立ちます。
アメリカでは、心不全になる可能性は20%です。ソフトロボティクスの技術を利用して、ラボはベンチトップ心臓シミュレーターと心臓圧迫装置を開発しています。これは、心不全の治療に役立ちます。
これらの有益な応用例とその他のものにより、ソフトロボティクスは世界中の患者さんのリハビリテーションと生活の質の向上に大きな役割を果たすことができます。ソフトロボティクスの進歩を助ける技術は、すべてプラスのものです。今日、我々はそのような製造技術について議論します。
3Dプリンティングまたは付加製造技術のソフトロボティクスへの応用
3Dプリンティング、または付加製造は、デジタルファイルから三次元の物体を開発することです。付加的な開発プロセスがあるため、付加製造と呼ばれます。
付加製造プロセスでは、物体は、望ましい物体の最終的な形状と形式が達成されるまで、材料の層を重ねて開発されます。
これらの各層は、望ましい物体の薄く切られた断面にすぎません。付加製造は、伝統的な減算製造と異なり、元の材料の大きなブロックから望ましい形状とサイズの部分を切り出すものです。
3Dプリンティングまたは付加製造には、通常、3Dモデル、3Dソフトウェア、3Dプリンターが必要です。プロセスは、消費者製品、産業製品、歯科製品、義肢、建築模型、化石の再構築、古代遺物のレプリカ、法医学の証拠、映画の小道具など、多くの分野で応用されています。
現在、ETH Zurichとアメリカのスタートアップ、Inkbitが共同で、ソフトロボティクスのより洗練された分野で応用可能にしました。
InkbitはMITのスピンオフです。ETH Zurichの科学と技術大学は1855年に設立され、「スイスの近代の創設者が、イノベーションと知識の中心として創設しました。」
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技術の詳細
ブレークスルー
ETH ZurichとInkbitの研究が達成したブレークスルーは、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。以前は、硬化速度の速いプラスチックのみが使用できましたが、現在は硬化速度の遅いプラスチックも使用可能になりました。この範囲の拡大には、いくつかの利点があります。
利点
- 硬化速度の遅いプラスチックには、優れた弾性特性があります。
- それらはより耐久性があり、堅固です。
- 硬化速度の遅いプラスチックにより、複雑で耐久性の高いロボット要素を3Dプリンティングできます。
- 技術は、さまざまな高品質の材料と互換性があります。
- 範囲の拡大により、柔らかい、弾性のある、剛性のある材料を組み合わせることが容易になります。
そして最後に、
- それらは、必要な場所で空洞や細かい構造を持つパーツを作成する必要を満たします。
応用
硬化速度の遅いプラスチックを使用することで、ソフトロボティクスと付加製造の利点を結合し、長期にわたって人類に利益をもたらすシナジーを作成することができます。
ETH Zurichの研究者は、人間の生理学のすべての特性、たとえば骨、靭帯、腱を持つロボットの手を開発しました。異なるポリマーで作成されましたが、最終製品は一回で作成することができました。
研究者によると、これは、硬化速度の遅いポリマーを含めることができなかったら不可能だったでしょう。ETH Zurich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の博士課程の学生で、研究の第一著者であるトーマス・ブフナーによると:
「私たちは現在、遅い硬化速度を持つチオールエ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、ベンド後に元の状態に戻るのがポリアクリレートよりもはるかに速いです。」
チオールエンポリマーの導入は、ソフトロボティクスの原理で手を作成するために、画期的なものでした。ロボットの手は人間の手と同じくらい柔らかいため、怪我のリスクが低く、繊細な商品を扱うことができます。
ソフトロボティクスと付加製造を同じプロセスで組み合わせるために、研究者は3Dプリンティング技術にいくつかの変更を加える必要がありました。印刷に3Dレーザースキャナーを追加し、印刷された各層の潜在的な表面の不規則性をすぐに確認できるようにしました。
研究者は、不規則性を補償するためのフィードバックメカニズムも導入しました。このメカニズムは、前の層の不均一性（ある場合）を考慮して、1層に必要な調整を行うのに役立ちました。
ETH Zurichは、この印刷技術を開発するために、アメリカのスタートアップ、Inkbitの助けを借りました。
Inkbit：印刷技術スタートアップ
2017年にDavide M. Marini、Javier Ramos、Wojciech Matusikによって設立された、InkbitはシリーズBのスタートアップです。アメリカのマサチューセッツ州メドフォードに本拠を置き、3Dプリンティングとマシンビジョンを組み合わせた次世代の付加製造プラットフォームを作成することを目的としています。同社は3Dプリンティング分野で継続的に革新し、新しいソリューションを開発しています。たとえば、今年の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・デュロメーター・エラストマー、TEPU 50Aを導入しました。
Inkbitが対応するスペースには、他のプレイヤーもいます。彼らはすべて、ソフトロボティクスを新しい付加製造技術で進歩させるために協力しています。
ソフトロボティクスを進歩させるための変革的な付加製造技術を持つ企業
#1. Flashforge
最近、3Dプリンティングされたモジュラー・ソフト・グリッパーが開発されました。指は、ポジティブ・プレスャー・ソフト・ニューマチック・アクチュエーターと機械的メタマテリアルで構成されていました。メタマテリアルには、ソフト・オクシエティック・ストラクチャーとコンプライアント・リブが統合されていました。プロセスで使用された3Dプリンターは、FlashForge Corporationの低コスト、オープンソースのフュージョン・デポジション・モデリング3Dプリンターでした。
2011年に設立されたZhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTDは、中国で最初の3Dプリンティング機器および材料の研究開発および製造企業の1つです。Flashforgeの製品は、世界100か国以上に輸出されています。
同社は、国内外で50以上の国や地域に600以上のブランド・ディーラーを開発しました。
FlashForge USAは、機関、建築家、エンジニア、デザイナー、産業ユーザー、広範な消費者およびプロサマー市場向けに3Dプリンティングを広く利用できるようにすることに重点を置いています。
Flashforgeの収益は推定で1500万ドル以上です。一方、Flashforge USAの収益は700万ドル以上です。
#2. NinjaTek
NinjaTekのさまざまなソリューションの1つは、Cheetah® 3Dプリンターフィラメントで、柔軟でリアルな骨を持つ義肢の手を作成しました。指のデザインでは、シリコン・モールドに柔軟な3Dプリンティングされた骨を埋め込む必要があり、リアルなスキン・ライク・テクスチャーを作成し、指の強度と堅牢性を高めることができました。義肢のピースを設計および開発した研究チームは、NinjaTekの半柔軟なCheetah TPUフィラメントを非常に役立つと考えました。
NinjaTekは、Fenner Precision Polymersの一部です。同社は、3Dプリンティングの産業分野のエンドユーザー向けに特殊フィラメントを生産しています。同社は現在、ミシュラン・グループの会社です。
(ML )
ミシュラン・グループは、2022年に285億ユーロ以上の収益を記録しました。2021年には240億ユーロの収益でした。同社の営業収益は、2022年の収益の約12%でした。
#3. Fictiv
この分野のもう1つの重要なプレーヤーは、3Dプリンティングサービスの包括的な範囲を提供するFictiv社です。同社は、ソフトロボティクスの進歩に強いコミットメントを示しています。同社の専門知識は、高度なメドテック企業であるメドトロニックを含む多くの企業から求められています。
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。同社は、「さまざまなハンドル・デザインを理解し、それに応じて動きを適応させることができます。」また、ソフトロボットは「空気圧アクチュエーションによって動作し、吸引機能を追加することが容易です。」とも述べています。
2022年5月、Fictivは、1億ドルのシリーズEラウンドの資金調達を発表しました。ラウンドは、Activate Capitalが主導し、新しい投資家としてAngeleno Group、Cross Creek、The Westly Groupが参加しました。Fictivの他の機関投資家には、Accel、ビル・ゲイツ、G2 Venture Partners、Standard Investmentsが含まれます。シリーズEの資金調達により、Fictivへの総投資額は、2013年の運営開始以来、1億9200万ドルに達しました。
3Dプリンティングまたは付加製造技術のソフトロボティクスへの応用：将来の展望
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ため、ソフトロボティクスにおける重要な技術になります。
ソフトロボットは、液体、ゲル、機能性ポリマー、他の容易に変形する材料で作られており、これらのロボット・ソリューションを、伸縮や圧縮されても動作できるようにします。重要な点は、これらの材料は、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るということです。これらの技術は、高速で信頼性が高いため、将来的にはスケーラビリティを高める必要があります。
新しい付加製造技術のもう1つの利点は、高い特異性と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、多くの新しく開発されたソフトロボットの重要な部分である電源を配置する場合にも役立ちます。さらに、新しい3Dプリンティング技術は、ソフトロボティック構造内にそれらを知的に配置するのに役立ちます。
一方で、現在利用可能な3Dプリンティング可能なソフト材料は、通常の構築プロセス中に自身の重量による変形の可能性が大きいため、サポート材料の必要性が生じます。この課題は、さらなる開発の余地を示しています。対処するための1つの解決策は、キロパスカルの範囲からメガパスカルの範囲までの圧力を耐えることができるビスκο弾性水和物として現れました。
最近、研究グループは、極めて柔らかい材料、たとえば液体を印刷できる全方向技術を開発しました。これは、後で重合によって固定できます。
別の研究チーム、デルフト工科大学の学生で構成されています。3Dプリンティング技術を開発しました。これは、シリコンを3Dプリンティングされたシェルに鋳込むことができます。技術は低コストで、ソフトロボティクスが将来に大きな成長を遂げるのに役立つでしょう。
この主題に関するさらなる研究と科学的研究が行われるにつれて、付加製造は、ソフトロボティクスを医療および保健科学の分野で非常に関連性の高いものにするでしょう。ソフトロボティクスは、手の機能が制限されている人、局所的な麻痺、関節炎を患っている人に役立つ、ソフトロボティック3Dプリンティングされたグローブを開発するのに役立ちました。
科学者は、義肢の手を作成し、不均一で粗い表面、たとえば砕石や砂の上を歩くことができる4本足のソフトロボットを3Dプリンティングしました。
医療やリハビリテーション以外の用途として、ソフトロボットは救助作業や危険な環境からのセンサーデータの収集に役立ちます。
要約すると、ソフトロボティクスの進歩を促進するための新しい付加製造技術の機会は巨大です。ただし、実用化されるためには、研究所から出て、広く使われる必要があります。
