オーストラリアのエンジニアは、タコの触手や象の胴体のように物体を包むことで物体をつかむことができるロボット用の生体模倣ソフトマニピュレーターを開発しました。マニピュレーターは布製で、油圧アクチュエーターを動力源としています。内蔵の圧力センサーにより、さまざまな形状の物体をつかみ、限られたスペースで操作したり、壊れやすい物体を操作したりできます。 Advanced Materials Technologies誌に掲載された記事によると、マニピュレータ設計の可変剛性要素により、マニピュレータの重量の220倍を保持できます。
ソフトロボットの開発は、ロボット工学で人気があり、急速に発展している分野です。その柔らかい素材のおかげで、このようなロボットは、環境との注意深い相互作用が必要な場合、たとえば、医学、壊れやすい物体を扱うとき、またはたとえば水中研究を行う場合に使用できます。
ソフトロボットの設計で使用されるマニピュレータは、通常、爪のように見えるか、油圧または空気圧で推進されるいくつかの柔軟な指で構成されています。しかし、そのようなデザインのグリッパーは、複雑な形状の重い物体にはうまく対応できません。
Thanh Nho Doが率いるニューサウスウェールズ大学のエンジニアは、これらの欠点のないソフトマニピュレーターを開発しました。見た目も触手のように機能し、物体を表面にしっかりとつかむことができます。マニピュレータは、油圧アクチュエータ、ファブリックケーシング、圧力トランスデューサ、および可変剛性要素の4つの主要コンポーネントで構成されています。
スパイラルグラブ触手デザイン
マニピュレータアームをつかんで取り付けることにより、オブジェクトを保持するスキーム
デバイスの操作で主要な役割を果たす油圧アクチュエータは、釣り糸（ポリフッ化ビニリデン）で作られたスパイラルに挿入された柔らかく伸縮性のあるシリコンチューブです。同時に、アクチュエータの効率を高めるために、シリコンチューブの外径はスパイラルの内径よりもわずかに大きくなっています。水は作動油として使用されます。流体圧力が増加すると、内側のシリコンチューブはすべての方向に拡張する傾向がありますが、ラインスプールは半径方向の拡張を制限し、チューブの縦軸の方向への伸長を可能にします。同時に、線を巻く方向と反対の回転運動があります。
アクチュエータ回路
触手の外殻は、油圧アクチュエータと補強装置を収容するためのチャネルを形成するために一緒に縫い合わされた布のいくつかの層でできています。シェル素材は片面を伸ばすことができ（「スパンデックス」など）、反対側には伸縮性に制限のある綿生地を使用しています。このため、内部の油圧アクチュエータの変形時に、マニピュレータ触手全体が曲がってらせん状にねじれ、アクチュエータにかかる圧力が高いほど、マニピュレータがらせん状にねじれます（ターン）。
マニピュレータがオブジェクトの表面に及ぼす圧力に関するリアルタイムの情報を取得するために、開発者はソフト圧力センサーをオブジェクトに組み込んでいます。それらは、ガリウムとインジウムの液体共晶合金で満たされた、らせん状にねじられたシリコーンチャネルの形で作られています。外圧下でのチャネルの変形は、電気抵抗の変化につながります。センサーは、触手に沿ったいくつかのポイントで片側に順番に配置されています。このおかげで、触手は壊れやすい物体を損傷する危険なしに操作するために使用することができます。
マニピュレータがつかんだ荷物を持ち上げて重量を保持できるようにするために、エンジニアはマニピュレータに温度可変剛性の要素を装備しました。それはポリエチレンテレフタレートチューブであり、その内部には発熱体があります-電流によって加熱されるステンレス鋼スパイラル。摂氏約67度の閾値温度を超えて加熱されると、チューブ材料は相転移を起こし、展性になり、触手を形作ることができます。ヒーターをオフにして冷却すると、チューブの材質が硬くなり、マニピュレーターの形状が固定されます。 0.5アンペアでは、デバイスが摂氏80度まで加熱されるのに10秒もかかりません。
チューブ内の発熱体のサイズと位置が小さいため、マニピュレータの外面の大幅な加熱が回避されます。また、ヒーターをオフにした後の冷却を高速化するために、摂氏13度の冷気の流れが、ランクヒルシュ渦効果に基づいて動作するデバイスからPETチューブに供給されます。これにより、チューブの全長を摂氏80度から50度まで11秒で冷却することができます。開発者によると、完全な加熱と冷却のサイクルには約24秒かかります。
新しいマニピュレータの機能を評価するために、エンジニアはさまざまな重量と形状のウェイトを使用して一連の実験を行いました。これにより、加えられた力が軸に沿って走る軸に垂直に向けられる構成で作業する場合にマニピュレータがより効果的であることが示されました。ねじれた触手のらせん。この位置で、マニピュレーターは、デバイスの自重（8、2グラム）の220倍である1、8キログラムの重さのツールでボックスをつかんで保持できることが判明しました。さらに、渦巻き状にカールしてオブジェクトを包み込むことができるため、マニピュレータは、たとえば背の高い円筒形の空洞などの狭いスペースや穴からオブジェクトに到達したり、ロッド、鉛筆、レンチなどの細い細長いオブジェクトを操作したりできます。とドライバー。
グリッパーは、さまざまな形状と重量のオブジェクトを保持します
さまざまな形状のオブジェクトを保持する例
開発者が指摘しているように、信頼性の高いグリップを得るには、少なくとも1回は触手をつかむオブジェクトに巻き付ける必要があるため、オブジェクトのサイズには制限があります。オブジェクトが大きいほど、マニピュレータを長くする必要があります。
将来的には、開発者は、エネルギー消費と加熱温度を削減するために剛性調整剤の材料を実験し、以前の設計に基づいてロボットアームを触覚フィードバックと統合することを計画しています。彼らの推定によると、新しいマニピュレーターに基づく市販の技術は、約12〜16か月で登場する可能性があります。
先ほど、高麗大学校の韓国人エンジニアが、ソフトロボティック触手を操作するために別の原理を使用したことについて話しました。彼らが開発したアクチュエータは、電気浸透現象に基づいています。
