ロボット工学の大きな進歩において、「柔らかい」人間のような筋肉を備えたロボットが初めてうまく設計されました。 このようなソフトロボットは、将来、人間に優しいロボットを設計するための恩恵になる可能性があります。
ロボットは、多くの体力とパワーを必要とする反復作業に適するように設計されているため、自動化の一部として産業用途、特に製造業で日常的に使用されるプログラム可能な機械です。 ロボット 内部のセンサーやアクチュエーターを介して物理世界と対話し、それらは再プログラム可能であるため、日常的な単機能マシンよりも便利で柔軟です。これらのロボットが仕事を行うように設計されている方法から、その動作は非常に硬直的で、時にはぎくしゃくしたり、機械のようになったり、重くて堂々としたり、特定の作業で必要な力の量が異なる場合には役に立たないことは明らかです。ポイント。ロボットは、周囲の状況に敏感ではないため、危険な場合もあり、安全な囲いが必要になる場合があります。ロボット工学の分野では、さまざまな要件を持つ産業および医療技術のさまざまな分野でロボット機械を設計、構築、プログラムし、効率的に使用するためのさまざまな分野が模索されています。
クリストフ・ケプリンガーが主導した最近の双子の研究では、研究者らは人間の筋肉に非常によく似た新しいクラスの筋肉をロボットに適合させ、人間と同じように強さと感性を備え、投影することに成功しました。中心的なアイデアは、より多くの「ナチュラル」 機械、つまりロボットへの動き。今日のすべてのロボットの 99.9 パーセントは鋼鉄または金属で作られた硬い機械ですが、生物の体は柔らかいですが、信じられないほどの能力を持っています。 「柔らかい」または「より本物の」筋肉を備えたこれらのロボットは、たとえば柔らかい果物を拾ったり、バスケットの中に卵を入れたりするだけのような、日常的で繊細な作業（人間の筋肉が日常的に行う作業）を実行するように適切に設計できます。従来のロボットと比較して、「」を搭載したロボット人工筋肉'は、それ自体の'よりソフトな 'バージョンのようになり、より安全になります。その後、人の近くでほとんどすべてのタスクを実行するようにカスタマイズでき、人間の生活に関連するいくつかの可能なアプリケーションを提案します。 ソフトロボットは、人間と非常によく似た方法で特定のタスクを実行するように独自に設計されるため、「協働」ロボットと呼ばれることがあります。
研究者たちは、平滑筋ロボットを作成しようとしています。 そのようなロボットはソフトを必要とします 筋肉 人間の筋肉になりすます技術とそのようなXNUMXつの技術が研究者によって試みられました–空気圧アクチュエーターと誘電エラストマーアクチュエーター。 「アクチュエータ」は、ロボットを動かす実際のデバイスとして定義されます。または、ロボットは特定の動きを示します。 空気圧アクチュエータでは、特定の動きを作り出すために、柔らかいポーチにガスまたは流体が送り込まれます。 これはシンプルなデザインですが、ポンプは実用的ではなく、かさばるリザーバーを備えていますが、それでも強力です。 XNUMX番目の技術–誘電エラストマーアクチュエータは、絶縁性の柔軟なプラスチックに電界を加えて変形させ、動きを作り出すという概念を使用しています。 電気のボルトがプラスチックを通過するとき、これらのデバイスは惨めに故障し、したがって機械的損傷に耐性がないため、これらのXNUMXつの技術自体はまだ成功していません。
もっと "人間 似たような筋肉を持つロボットのようなもの
で報告された双生児研究では 科学1 & 科学 ロボット工学2、研究者は、利用可能なXNUMXつの平滑筋技術の肯定的な側面を取り入れ、電気を使用して小さなポーチ内の液体の動きを変える単純な平滑筋のようなアクチュエータを作成しました。 これらの柔軟なポリマーポーチには、スーパーマーケットからの通常の油（植物油または菜種油）などの絶縁性液体が含まれています。または、同様の液体を使用できます。 ポーチの両側の間に配置されたヒドロゲル電極間に電圧が印加されると、側面が互いに引き寄せられ、オイルのけいれんが起こり、その中の液体が絞り込まれ、ポーチ内を流れます。 この張力は人工筋肉の収縮を引き起こし、電気が遮断されると、オイルは再び弛緩し、 人工の 筋弛緩。 このようにしてアクチュエータの形状が変化し、アクチュエータに接続されている物体が動きを見せます。 したがって、この「人工筋肉」は、実際の骨格の人間の筋肉と同じ方法で、同じ精度と力で、ミリ秒単位で瞬時に収縮および解放（屈曲）します。 人間の筋肉は同時に脳と通信し、目立たないものの遅延を引き起こすため、これらの動きは人間の筋肉反応の速度を打ち負かすことさえできます。 したがって、この設計により、汎用性と高性能を示す直接電気制御を備えた流体システムが実現されました。
最初の研究では1 in 科学、アクチュエーターはドーナツの形で設計されており、ロボットグリッパーを通してラズベリーを拾い上げて保持する能力と器用さを備えていました（そして果物を爆発させませんでした！）。 現在の設計では、絶縁性液体を通過するときに電気のボルトによって発生する可能性のある損傷（以前に設計されたアクチュエータの大きな問題）も処理され、電気的損傷はすべて、新しいものによって即座に自己修復または修復されました再分配の単純なプロセスを通じて、「損傷した」部分への液体の流れ。 これは、以前の多くの設計で使用されていた、即座に損傷した固体絶縁層の代わりに、より弾力性のある液体材料を使用したことに起因していました。 このプロセスでは、人工筋肉はXNUMX万回以上の収縮サイクルに耐えました。 この特定のアクチュエータは、ドーナツ型であるため、ラズベリーを簡単に選ぶことができました。 同様に、これらの弾性ポーチの形状を調整することにより、研究者は、たとえば、壊れやすい卵を正確かつ正確に必要な力で拾うなど、独自の動きを備えたさまざまなアクチュエータを作成しました。 これらの柔軟な筋肉は、「油圧増幅自己修復静電」アクチュエーター、またはHASELアクチュエーターと呼ばれています。XNUMX番目の研究では2 に発表され 科学ロボット工学、同じチームはさらに、人間の上腕二頭筋に非常によく似た直線的に収縮する他のXNUMXつの平滑筋の設計を作成しました。これにより、自重より重い物体を繰り返し持ち上げることができます。
Aロボットは機械なので、人間よりも優位に立っているはずですが、筋肉が持つ驚異的な能力と言えば、ロボットは青ざめていると言えます。 人間の筋肉は非常に強力であり、私たちの脳は私たちの筋肉を非常に制御しています。 これが、人間の筋肉が書くなどの複雑なタスクを正確に実行できる理由です。 私たちの筋肉は、重い仕事をしているときに繰り返し収縮と弛緩を繰り返します。実際には、筋肉の約65％の能力しか使用していないと言われており、この制限は主に私たちの思考によって設定されます。 人間のようなやわらかい筋肉を持ったロボットを想像できれば、その強さと能力は計り知れません。 これらの研究は、実際の生体筋肉の巨大な能力をいつか達成できるアクチュエータを開発するための最初のステップと見なされています。
費用対効果の高い「ソフト」ロボティクス
著者によると、ポテトチップスのポリマーポーチ、オイル、さらには電極などの材料は安価で、わずか0.9米ドル（または10セント）ですぐに入手できます。 これは、現在の工業用製造部門と研究者が専門知識をさらに深めることを奨励しています。 低コストの材料はスケーラブルであり、現在の業界慣行と互換性があり、そのようなデバイスは、補綴デバイスのような多くのアプリケーションに、または人間の仲間として使用できます。 ロボット工学という用語は常に高コストと同等であるため、これは特に興味深い側面です。 このような人工筋肉に関連する欠点は、その操作に必要な大量の電力であり、ロボットがその電力を過剰に蓄えると燃焼する可能性もあります。 ソフトロボットは、従来のロボットよりもはるかに繊細であるため、パンク、パワーの喪失、オイルのこぼれなど、設計がより困難になります。 これらのソフトロボットは、多くのソフトロボットがすでに行っているように、確かに何らかの自己回復の側面を必要とします。
効率的で堅牢なソフトロボットは、人間を補完し、人間に取って代わるロボットではなく「協働」ロボットのように動作するため、人間の生活に非常に役立ちます。 また、従来の義手は、より柔らかく、快適で、敏感である可能性があります。 これらの研究は有望であり、高い電力需要に取り組むことができれば、ロボットの設計と動きの点でロボットの未来に革命を起こす可能性があります。
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ソース
1. Acome etal。 2018.筋肉のような性能を備えた油圧増幅自己修復静電アクチュエータ。 化学。 359（6371）。 https://doi.org/10.1126/science.aao6139
2. Kellaris etal。 2018. Peano-HASELアクチュエーター：活性化時に直線的に収縮する筋肉模倣の電気油圧式トランスデューサー。 科学ロボット工学。 3（14）。 https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276
