ロボティクス
半自主ソフトロボットが命を救う
ロボットについて考えると、rigidな機械がタスクを実行したりあなたの取り組みを支援したりするものを想像することが多いです。しかし、もう一つのロボットのクラスが注目を集め、革新をもたらしています – ソフトロボット。これらのユニークなデバイスは、多くのタスクに応じて形状と動作を変化させることができます。ここでは、ソフトロボットについて知っておくべきことを紹介します。
ソフトロボットとは何か、そしてなぜゲームチェンジャーなのか?
ソフトロボティクス分野は、継続的に大幅なアップグレードと革新を遂げている興奮する市場です。多くの人々は、これらのデバイスを災害救援活動の鍵として見ています。これらのユニットのソフトで調整可能な性質により、必要に応じて小さな穴やパイプをすり抜けることができ、従来のオプションでは到達できない最も困難な場所にロボットが到達できるようになります。
ソフトロボットは、柔軟な材料で構成されており、必要に応じて形状と構造を変化させることができます。これらのデバイスは、多くの形式で提供され、蛇のようにパイプをすり抜けるように設計されたものや、必要に応じてボールのように折り畳むことができるものなどがあり、状況に応じて優れたアクセスを提供します。
ソフトロボット開発を妨げる主な課題
ソフトロボットは完璧ではありません。彼らの固有の設計と材料は、これらのデバイスの作成を、パフォーマンスと柔軟性のバランスをとるものにします。過去に、エンジニアは柔軟性を減らさないようにロボットに使用される電子機器を制限しました。
システム内の統合センサーを削減することで、硬い基板やサーボを排除することができますが、同時にこれらのデバイスは通常、片方向の通信システムに限定されます。これらのシステムは、パイロットがロボットをROUGHな地形を通してナビゲートするために使用します。
このアプローチの限界を認識して、主要な研究機関の創造的なエンジニアのチームは、柔軟性を減らさずにパフォーマンスを向上させるように改良されたソフトロボット設計を提案しました。
ブレークスルー研究：より賢く、柔軟なソフトロボット
「ワイヤレス、多機能システム統合プログラム可能ソフトロボット」1研究は、Nano-Micro Lettersに掲載されており、新しいソフトロボット概念を紹介しています。このロボットは、以前のオプションよりもより能力が高く、コスト効率が高いです。ロボットのアップグレードされた機能の一部として、チームは、デバイスが現在の状況と周囲に基づいて半自主的な決定を下すことができるセンサーを導入しました。
Source – Jennifer M. McCann
次世代ソフトロボットの設計
新しいソフトロボット設計の一部として、チームは、デバイスを最小のエネルギー消費で多くの形状と動作を実現できるように、ソフトロボットのレイアウトを再設計することから始めました。磁気的に応答するソフトコンポジットマトリックスと変形可能な多機能電子機器を統合することで、これを実現しました。
エンジニアが高度なソフトロボットの柔軟性を維持する方法
ソフトロボットを柔軟に保つことは、デザイナーとエンジニアにとって大きな問題です。チップ、センサー、バッテリー、またはサーボを追加するたびに、ロボットのその部分の柔軟性が大幅に制限されます。したがって、より能力の高いソフトロボットは通常、柔軟性が低くなります。なぜなら、その中心部のコンポーネントは、破損することなく曲げられないからです。
チームは、最適なワイヤレス回路、センサー、デバイスについて多くの時間を費やしました。そこから、エンジニアは、デバイスの動きに影響を与えるこれらのデバイスの最適な配置を決定する必要がありました。最終的に、電子機器を配置する特定のレイアウトが合意され、ボットが必要に応じて完全に調整してボールに丸まることができるようになりました。
磁気制御モーション：これらのソフトロボットの動き
エンジニアは、ロボットが形状を変化させる能力を与える必要がありました。このステップでは、磁気化合物を使用しました。具体的には、磁気化合物は、合成WcMPs、シリコンエラストマー、そして硬化剤を混合して調製されます。
その後、レーザーが磁気ソフトコンポジットをパターン化するために使用され、熱が適用されました。次のステップでは、エンジニアが外部磁場（200 mT）をプログラムして、埋め込まれた磁気粒子の方向を回転して配置する必要がありました。最後に、作成された磁石は冷やすことができました。
これらの目的の磁石は、低温で相転移を起こすように設計されており、エンジニアは数秒で磁気の極性を切り替えることができます。磁場の強度と方向を調整することで、チームはロボットに特定のタスクと形状を実行させることができます。彼らは、この方法でロボットを曲げ、ねじり、這わせることができたと述べています。
磁気フィールドを使用したソフトロボットの精密ステアリング
研究所は、ユニットの柔軟な構造に埋め込まれた磁気材料を作成しました。このアクションにより、エンジニアは磁気フィールドを使用してデバイスを制御できるようになりました。エンジニアは、ハンドヘルド磁石と電磁フィールドジェネレーターを使用してフィールドを適用しました。
具体的には、商用の永久磁石NdFeB磁石とカスタマイズされたシリンダーエレクトロマグネットが、外部磁気フィールドを適用するための最適な方法として選択されました。これらのデバイスは、磁気ソフトロボットを動かすのに十分な力が生成されます。
ソフトロボットを半自主的にする統合センサー
この研究の核心は、最初の半自主的なソフトロボットを作成することでした。これらのデバイスは、環境に基づいて決定を下すことができるセンサースイートを統合します。たとえば、温度、障害物、または時間制約の変更に反応するようにユニットを設定できます。
ソフトロボットエレクトロニクスにおける磁気干渉の克服
エンジニアは、磁気の交点が新しい問題を引き起こすことを知っていました。主に干渉です。磁気フィールドは磁石を活性化するには優れていますが、電子干渉についてはそうではありません。これらの磁気フィールドは電子機能を妨げ、混乱を引き起こすことができます。
したがって、エンジニアは、最適な電子機器レイアウトを決定するのに多くの時間を費やしました。彼らは、干渉レベルと事前の力に基づいて、最適なセンサーとチップの配置を決定することができました。このステップにより、ソフトロボットが形状を変化させて電磁特性を変更したときに突然故障しないことを保証しました。
実環境でのソフトロボットの能力のテスト
チームは、ソフトロボットの能力を示すために、小さな障害コースを設定しました。小さな磁気駆動デバイスは、さまざまな地形と障害物を通過して、旅を成功裏に完了することができました。ロボットは、公開されたビデオで地形を通過するために形状とレイアウトを変更することができます。
