ソフトグローイングロボティクス

ロボットの本体は以下の要素で構成されています。

1. 電源装置、回路基板、熱可塑性フィラメントのスプールを収納するベース。
2. 基部から外側に向かって伸びる、積層造形によって作製された長さの異なる管状本体。
3. 先端部には新しい材料が堆積され、管状本体が延長されるとともに、センサーが収容される。

積層造形プロセスでは、先端のモーターによってポリ乳酸フィラメント（熱可塑性樹脂）がロボットの管状本体を通して引き込まれます。先端では、フィラメントは加熱エレメントを通過して柔軟になります。次に、フィラメントはロボットの成長方向に対して垂直に回転し、ロボットの基部に向かって回転するディスクの外縁に堆積されます。ディスク（堆積ヘッドと呼ばれる）が回転すると、新しいフィラメントがらせん状の層として堆積されます。このフィラメントは前の層のフィラメントの手前で固化し、ロボットの先端を前方に押し出します。^{[ 3 ]}加熱エレメントの温度、堆積ヘッドの回転、および加熱エレメントを通過するフィラメントの供給速度の間の相互作用は、ロボットが望ましい方法で成長するように精密に制御されます。^{[ 8 ]}

ロボットの速度は、加熱素子の温度、加熱素子を通してフィラメントが供給される速度、および堆積ヘッドの回転速度を変更することによって制御されます。速度は次の関数として定義できます。

${\displaystyle S={\frac {L_{d}}{\sqrt {{\frac {1}{(\tan \alpha )^{2}}}+1}}}}$

どこ${\displaystyle L_{d}}$は堆積したフィラメント層の厚さであり、${\displaystyle \alpha }$これは、フィラメント材料が堆積されるらせんの角度です。

成長の方向（ひいてはロボットの「動き」の方向）を制御するには、2つの方法があります。

1. 堆積ヘッドの片側に堆積されるフィラメントの厚さを変更する（先端をその側から傾ける）。
2. 堆積ヘッドの片側のフィラメント層数を変更するには、堆積ディスクを部分的に回転させてそのセクターに余分な材料を追加する（フィラメント層が多い側から先端を傾ける）。たとえば、ディスクは通常時計回りに回転し、反時計回りに1ラジアン回転してから、再び時計回りに回転する。これにより、1ラジアンのセクションに2層の材​​料が追加される。^{[ 3 ]}

ソフト成長ロボットの主な利点の 1 つは、外部環境とロボットの間に摩擦が最小限であることです。これは、ロボットの先端のみが環境に対して相対的に動くためです。^{[ 3 ] [ 9 ]}成長に積層造形を使用する複数のロボットは、環境との摩擦が少ないため、環境内を移動するために必要なエネルギーが削減されるため、土壌に潜り込むように設計されています。^{[ 3 ] [ 8 ]}

• 水中に浸からない状態では、1台のロボットは毎分1.8～4mmの速度で成長することができ、最大曲げ速度は毎分1.28度、成長力は最大6kgであった。^{[ 3 ]}
• 水中に浸されていない状態では、2番目のプロトタイプは毎分3～4mmの速度で成長することができ、受動的に40度回転して100%の成功率、50度回転して60%の成功率を達成しました（受動的に回転するとは、ロボットが傾斜した壁に成長し、熱可塑性フィラメントの特性を利用してロボットを目的の方向に曲げることを意味します）。^{[ 8 ]}

ロボットの先端の後ろに新しい材料を堆積させて先端を前方に押し出す積層造形とは対照的に、先端伸長ではロボット本体内部の圧力を利用してロボットの先端から新しい材料を押し出します。多くの場合、ロボット本体内部のチューブはリールに収納されており、チューブの放出、ひいてはロボットの成長を制御しやすくしています。^{[ 2 ] [ 4 ]}

先端伸長ロボットを旋回させるための複数の方法が開発されてきた。それらには以下が含まれる。

1. ロボット本体の内側チューブを挟み込み、挟んだ部分をラッチで固定します。ロボットを回転させるには、ラッチを1つ開けて、ロボット本体の片側の材料をさらに解放します。内部圧力によって余分な材料が膨張し、ロボットの片側がもう一方よりも長くなり、ロボットは長い側とは反対方向に回転します。ロボットをまっすぐに伸ばすには、ラッチを1つも解除しないか、すべてのラッチを解除します。ラッチは、ロボット本体に取り付けられた2組目の膨張式チューブ内の位置によって制御されます。
   • ラッチのチューブが膨らんでいない場合、ロボット本体内部の圧力によってラッチが閉じられるため、ラッチは決して開くことができません。
   • ラッチのチューブが膨らんだ状態で、ラッチがロボット本体の直線部分に取り付けられている場合、ラッチの角度のついた連結フックの傾斜のため、ラッチは開かない。
   • ラッチのチューブが膨らんでいて、ラッチがロボットの先端にある場合、先端のカーブによって連動するフックが互いに滑り合い、ラッチが開きます。^{[ 10 ]}
2. ロボット本体の両側に、もう1組の膨張可能なチューブを追加する。このチューブは、長さに沿って定期的に挟まれており、膨張するとチューブが長手方向に収縮する。ロボットを旋回させるには、一方のチューブを膨張させると、チューブがロボット本体の長さに沿って収縮し、膨張したチューブの方向にロボット本体が旋回する。^{[ 2 ]}

先端伸長設計を採用したロボットは格納可能です。現在の設計では、ロボットの先端に取り付けられたワイヤーを使用して、ロボットの先端をロボット本体に引き戻します。^{[ 4 ] [ 10 ]}

先端が成長する際の理論的な力は、次のようにモデル化できる。

${\displaystyle F_{driving}=PA}$

どこ${\displaystyle F_{driving}}$先端が成長する力を表す。${\displaystyle P}$内部圧力を表し、${\displaystyle A}$はロボット先端の断面積を表します。しかし、ロボット本体の軸方向の張力のため、先端が膨張する実験的な力はこれよりも小さいことがわかっています。近似モデルは、${\displaystyle F_{driving}}$より正確には：

${\displaystyle F_{driving}=PAk-[YA+F_{v}]-[F_{l}+\Sigma _{i}F_{Ci}]}$

ここ、${\displaystyle k}$は実験的に決定された定数であり、${\displaystyle Y}$成長が起こらない場合の収量圧力は、収量圧力である。${\displaystyle F_{v}}$、${\displaystyle F_{l}}$、 そして${\displaystyle F_{Ci}}$は、それぞれロボットの速度、長さ、曲率に依存する力項です。^{[ 9 ] [ 11 ]}

さらに、さまざまな回転、ねじり、および引き込みの形態に関する複数の数学モデルが開発されている。^{[ 2 ] [ 1 ] [ 4 ]}