ソフトロボティクスはフォーム流体工学から恩恵を受ける

ハードからソフトロボットへ

When we think of robots, we either think of massive and bulky industrial robots or futuristic robots from science fiction, from the all-metal terrifying Terminator to the more sleek and smooth design of iRobot and real modern humanoid robots .

出典: Sanctuary

いずれにせよ、滑らかな金属やプラスチック表面が至る所にあり、ピストン、油圧、電動モーターによって動きが生み出されています。

しかし、このロボット設計は、より繊細なアプローチが必要な多くの用途では制約となります。例えば、人間の身体と相互作用するロボットや、果物の収穫を担当するロボットは、損傷を防ぐためにより柔軟な素材と優しいタッチが求められます。

このニーズに応える形で、ソフトロボティクスと呼ばれる新しい分野が登場しています。この分野では、新素材を用いて柔らかく柔軟なロボットシステムを作る方法を探求しています。以前にもこの概念を取り上げました。特に、3Dプリンティングがソフトロボットの構築に役立つ方法や、ハイドロゲルがロボットの機敏さを向上させる方法です。

このソフトロボティクス技術の中に新たなアイデアとして、フォーム流体工学が加わります。

空気圧ロジックからフォーム流体工学へ

Researchers at the University of Texas studied how foam could be a new material from which to build robots. They discovered that the flow of air through the meshlike structure of open-cell foam can replace electronics, and published their results in a scientific paper titled “Embedded Fluidic Sensing and Control with Soft Open-Cell Foams”.

この重要なアイデアは、空気圧ロジック回路と呼ばれる科学分野の研究から始まりました。概念は、電気に基づく電子計算を空気流の変動で置き換えることです。

これまで、この概念は主に電子回路の設計を模倣していました。その結果、より複雑な計算やセンサーに対しては、装置のサイズと重量が問題となり、可能性が大きく制限されていました。

代わりに、ライス大学の研究者は、フォームシートの微細な孔を通る空気流によって生じる圧力差を利用しようとしました。複数層のフォームを重ねることで、空気の流れ方を微調整できました。これにより、従来の空気圧ロジックよりもはるかにシンプルな回路設計で、複雑な空気圧計算や制御タスクを実行できました。

出典: Rice University

アナログ内蔵回路

良い例として、ロボットの一部が圧力に応答する方法があります。従来のロボットでは、複雑な電子センサーや、多数の部品で構成された曲げ可能なアーム、そして力を伝達・調整するためのバッテリー駆動電動モーターや油圧システムが必要です。

フォーム流体工学では、ロボットアームに反応が「内蔵」され、圧力がかかると曲がり、刺激に比例して反応します。たとえば、力が弱いときは半分だけ曲がります。

出典: Rice University

これを実現するには課題がありました。その一つは、圧力変化に伴い空気密度が変化するため、フォーム内の空気流をモデル化するために複雑な計算が必要になることです。

空気流とフォームの反応を正確に予測する理論モデルの作成は、この研究プロジェクトで最も重要な部分の一つでした。このモデルが完成して初めて、予測可能なフォーム流体工学を備えた設計が構築できました。

応用例

フォーム流体工学は電子部品やバッテリーに依存しないため、従来のロボットソリューションよりもはるかに軽量化できます。これにより、繊維や衣料への組み込みが容易になります。また、布地を損傷したり硬直させたりせずに曲げたり動かしたりできる点も有益です。

エクソスーツ

最初の応用例として、障害や怪我で可動域が制限された人々を支援することが考えられます。このようなケースを支援する「従来型ロボティクス」ベースのエクソスケルトン市場はすでに拡大しており、私たちは「ロボティクスによる自立とモビリティ – パーキンソン病患者を支援するエクソスーツ」で取り上げました。

同様の技術は、倉庫や工場、軍事分野などで重い荷物を持ち上げる作業による怪我の軽減にも役立つ可能性があります。

フォーム流体工学ベースのロボットは、こうしたエクソスーツに組み込むことはもちろん、カスタムデザインのパンツやシャツなどに完全に置き換えることも容易に想像できます。装着が簡単で目立たない点が利点です。

VR / ハプティック技術

ハプティックシステムは刺激に対して触覚を生成します。しばらくの間、これはバーチャルリアリティやその他シミュレーションシステムの次なるフロンティアとされてきました。

フォーム流体工学は、例えば動きを検知しタッチセンサーに信号として変換する新しいタイプのハプティックセンサーの開発に貢献できます。これにより、医師や救急対応者、その他の専門職訓練で使用されるシミュレーションにおいて、動きのデジタルレプリカをより正確に作成できるようになります。

出典: Rice University

ソフトロボティクスへの投資

ソフトロボティクスは、ロボットが工場のフロアを離れ、病院での患者ケア、倉庫での物流、農場や果樹園での果実収穫などに活用されるにつれ、拡大するロボット市場の重要な部分になると考えられます。

ロボット関連企業への投資は多数のブローカーを通じて可能で、securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、およびその他多数の国々における最適なブローカーのおすすめをご覧いただけます。

特定のロボット企業を選びたくない場合は、GlobalX Robotics & Artificial Intelligence ETF (BOTZ)、iShares Automation & Robotics UCITS ETF (RBOT)、またはGlobal Robotics & Automation Index ETF (ROBO)といったロボット関連ETFを検討できます。これらは、成長するロボット産業へのより分散されたエクスポージャーを提供します。

ソフトロボティクス企業

1. Ekso BIONICS

Ekso BIONICSはエクソスケルトン技術のリーダーです。2012年に初の商用医療リハビリテーションエクソスケルトンを発売しました。それ以来、ABIおよびEVOスーツの承認を受けています。

同社は作業・重負荷セグメントへ拡大していますが、依然として治療と医療モビリティに主に注力しています。

同社の収益は急速に成長しており、2023年は前年比+38%です。

出典: Ekso

同社は最近、Parker Hannifin CorporationからHuman Motion and Control (HMC)事業部門を取得し、麻痺患者向けのパワードエクソスケルトンを製品ラインに加えました。

これは、Eksoがエクソスケルトン分野で連続的な買収者となり得る大きな可能性を示唆しており、内部R&Dと戦略的買収の組み合わせで製品ラインを拡大しています。

また、同社は医療および作業用エクソスケルトン市場での早期参入を活かし、将来の設計にソフトロボティクスとフォーム流体工学を採用する有力な候補でもあります。

2. Soft Robotics

This company is privately listed and in 2018, ABB Technological Ventures struck a partnership with Soft Robotics to speed up the development of microfluidic computation and soft gripper for robots.

この企業は非上場で、2018年にABB Technological VenturesがSoft Roboticsと提携し、ロボット向けマイクロ流体計算とソフトグリッパーの開発を加速させました。

Soft Roboticsは、食品加工業向けのソフトグリップを備えたロボット「mGripAI」の開発に注力しており、フル3DビジョンとAIシステムを組み合わせ、ABBのIRB360 FlexPickerグリッピングシステムを使用しています。

出典: Soft Robotics

同社のアプローチは、実世界へのマイクロ流体技術の適用経験を考慮すれば、フォーム流体工学の統合も可能性があります。

このビデオでmGripAIの実際の動作を見ることもできます。

現在、ソフトアクチュエータとグリップの主な応用は産業プロセス、特に食品業界です。

将来的には、AI、機械ビジョン、バッテリ技術、ソフトロボティクスの進展により、看護師や店員、清掃員など、現在ほぼ100％人手に依存している作業を支援できるロボットの創出が可能になるでしょう。