ソフトロボティクス

ソフトロボティクスは、剛性のあるリンクではなく柔軟な材料で構成されたロボットの設計、制御、製造に関するロボット工学の分野です。^{[1] [2]} 金属、セラミック、硬質プラスチックで作られた剛体のロボットとは対照的に、ソフトロボットの柔軟性は、人間と密接に接触して作業する際の安全性を向上させることができます。^[2]

ソフトロボティクスの目標は、物理的に柔軟なボディと電子機器を備えたロボットの設計と構築です。一部のアプリケーションでは、柔らかさは機械の特定の領域に限定されます。たとえば、剛体ロボットアームは、柔らかいエンドエフェクタを使用して、繊細な物体や不規則な形状の物体を優しくつかんで操作できます。^[3]ほとんどの剛体移動ロボットは、衝撃を吸収するフットパッドや弾性エネルギーを蓄積/放出するバネ関節など、柔らかいコンポーネントを戦略的に使用します。ただし、ソフトロボティクスの分野では、一般的に、主にまたは完全に柔らかい機械の作成に焦点を当てています。完全に柔らかいボディを持つロボットは、剛体では入り込めない場所にも入り込める柔軟性など、大きな可能性を秘めており、災害救助のシナリオで役立つ可能性があります。ソフトロボットは、人間とのやり取りや人体への内部配置にも安全です。^[4]

動物自体が主に柔らかい部品で構成されており、地球上のほぼあらゆる複雑な環境で効率的に移動するためにその柔らかさを活用しているように見えることから、自然はソフトロボットの設計のインスピレーションの源となることがよくあります。 ^[5]そのため、ソフトロボットは、特にタコのような完全に柔らかい生物など、身近な生き物に似せて設計されることがよくあります。しかし、ソフトロボットは機械的インピーダンスが低いため、手動で設計および制御することは非常に困難です。ソフトロボットの利点である柔軟性とコンプライアンスが、制御を困難にしています。過去数世紀にわたって剛体を設計するために開発された数学は、通常、ソフトロボットには適用できません。そのため、ソフトロボットは、進化アルゴリズムなどの自動設計ツールの助けを借りて部分的に設計されることが多く、これにより、ソフトロボットの形状、材料特性、およびコントローラをすべて同時に自動的に設計し、特定のタスクに合わせて最適化することができます。^[6]

植物細胞は、細胞質と外部環境との間の溶質濃度勾配（浸透圧ポテンシャル）により、本質的に静水圧を生成することができる。さらに、植物は細胞膜を横切るイオンの移動を通じてこの濃度を調整することができる。これにより、植物は静水圧の変化に反応して形状と体積を変化させる。この圧力に由来する形状の進化はソフトロボットにとって望ましく、流体の流れを利用して圧力適応材料を作成するためにエミュレートすることができる。^[7]次の式^[8]は、細胞体積の変化率をモデル化している。

${\displaystyle {\dot {V}}=AL_{p}(-\Delta P+\Delta \pi )}$

${\displaystyle {\dot {V}}}$音量の変化率です。

${\displaystyle A}$細胞膜の領域です。

${\displaystyle L_{p}}$材料の透水係数です。

${\displaystyle \デルタP}$静水圧の変化です。

${\displaystyle \デルタ\pi}$浸透圧ポテンシャルの変化です。

この原理は、ソフトロボット用の圧力システムの開発に活用されています。これらのシステムは柔らかい樹脂で構成されており、半透膜を備えた複数の流体袋が含まれています。半透膜により流体輸送が可能になり、圧力生成につながります。この流体輸送と圧力生成の組み合わせにより、形状と体積の変化がもたらされます。^[7]

もう一つの生物学的に固有の形状変化メカニズムは、吸湿性形状変化である。このメカニズムでは、植物細胞は湿度の変化に反応する。周囲の大気の湿度が高い場合、植物細胞は膨張するが、周囲の大気の湿度が低い場合、植物細胞は収縮する。この体積変化は、花粉粒^[9]や松ぼっくりの鱗片^{[7] [10]で観察されている。}

油圧式ソフトジョイントに対する同様のアプローチは、クモ形動物の移動からも得られます。クモ形動物の移動では、関節に対する強力かつ正確な制御は、主に圧縮された血リンパによって制御できます。

ソフトロボットは複雑な形状をしており、変形可能なボディを持つため、ドリルやフライス加工などの減算技術などの従来の製造技術はソフトロボットの構築には役立ちません。そのため、より高度な製造技術が開発されました。これには、形状堆積製造（SDM）、スマート複合微細構造（SCM）プロセス、3Dマルチマテリアル印刷が含まれます。^{[2] [11]}

SDMはラピッドプロトタイピングの一種で、堆積と機械加工が周期的に行われます。基本的には、材料を堆積し、機械加工し、目的の構造を埋め込み、その構造のサポートを堆積し、さらに製品を機械加工して、堆積した材料と埋め込まれた部品を含む最終形状にします。^[11] 埋め込みハードウェアには回路、センサー、アクチュエーターが含まれており、科学者はポリマー材料の中にコントロールを埋め込んで、Stickybot ^[12]やiSprawl ^{[13]などのソフトロボットを作成することに成功しています。}

SCMは、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）の剛体と柔軟なポリマー靭帯を組み合わせるプロセスです。柔軟なポリマーは骨格のジョイントとして機能します。このプロセスでは、レーザー加工と積層を使用して、CFRPとポリマー靭帯の統合構造が作成されます。このSCMプロセスは、ポリマーコネクタがピンジョイントの低摩擦代替品として機能するため、メソスケールロボットの製造に利用されています。^[11]

3D 印刷などの付加製造プロセスは、直接インク書き込み (DIW、ロボキャスティングとも呼ばれる)などの技術を使用して、さまざまなシリコーン インクを印刷するために使用できるようになりました。 ^[14]この製造ルートでは、ローカルに定義された機械的特性を持つ流体エラストマー アクチュエータをシームレスに製造できます。さらに、プログラム可能なバイオインスパイアされたアーキテクチャと動作を示す空気圧シリコーン アクチュエータのデジタル製造が可能になります。^[15] この方法を使用して、曲げ、ねじり、つかみ、収縮の動作を含むさまざまな完全に機能するソフト ロボットが印刷されています。この技術により、接着された部品間の剥離など、従来の製造ルートの欠点の一部が回避されます。 形状が感光性、熱活性化、または水に反応する形状モーフィング マテリアルを生成する別の付加製造方法。基本的に、これらのポリマーは、水、光、または熱との相互作用により自動的に形状を変えることができます。このような形状モーフィング マテリアルの例の 1 つは、ポリスチレン ターゲットへの光反応性インクジェット印刷を使用して作成されました。^[16]

さらに、形状記憶ポリマーは、スケルトンとヒンジ材料という2つの異なるコンポーネントで構成されるラピッドプロトタイピングが行われました。印刷時に、材料はヒンジ材料のガラス転移温度よりも高い温度に加熱されます。これにより、スケルトン材料に影響を与えずにヒンジ材料を変形させることができます。さらに、このポリマーは加熱によって継続的に再形成できます。^[16]

すべてのソフト ロボットには、反力を発生させ、移動や環境との相互作用を可能にするためのアクチュエーション システムが必要です。これらのロボットの柔軟な性質のため、ソフト アクチュエーション システムは、生物の骨の役割を果たす剛性材料や、剛性ロボットで一般的な金属フレームを使用せずに移動できなければなりません。曲げを伴うアクチュエーションの場合、コンポーネント全体に何らかの応力差を作成し、この応力を緩和するためにシステムが特定の形状に向かって曲がる傾向を持つようにする必要があります。それでも、ソフト アクチュエーションの問題に対する制御ソリューションはいくつか存在し、それぞれに長所と短所がありますが、すでに使用されています。制御方法と適切な材料の例をいくつか以下に示します。

一例として、静電気力の利用が挙げられます。静電気力は次のような用途に利用できます。

• 誘電エラストマーアクチュエータ (DEA) は、高電圧 電界を使用して形状を変更します (動作中の DEA の例)。これらのアクチュエータは、高い力を生成でき、高い比出力 (W kg ⁻¹ ) を持ち、大きなひずみ (> 1000%) を生成し、^{[17]高いエネルギー密度 (> 3 MJ m −3} )を持ち、 ^[18]自己検知を示し、高速作動速度 (10 ms - 1 s) を実現します。ただし、高電圧の必要性は、潜在的な実用化における制限要因にすぐになります。さらに、これらのシステムは、漏れ電流を示すことが多く、電気的破壊を起こす傾向があり (誘電体の破損はワイブル統計に従うため、電極面積が増加すると確率が高くなります^[19] )、最大変形のために事前ひずみが必要です。^{[20]新しい研究のいくつかは、液体誘電体と薄いシェルコンポーネントを組み込んだ Peano-HASEL アクチュエータ}などで示されているように、これらの欠点のいくつかを克服する方法があることを示しています。これらのアプローチは、必要な印加電圧を下げるだけでなく、電気的破壊の際に自己修復を可能にします。^{[21] [22]}

• 形状記憶ポリマー(SMP) は、スマートで再構成可能な材料であり、作動に使用できる熱アクチュエータの優れた例です。これらの材料は元の形状を「記憶」し、温度が上昇すると元の形状に戻ります。たとえば、架橋ポリマーは、ガラス転移(T _g ) または融解転移 (T _m )を超える温度で歪みを与え、その後冷却することができます。温度が再び上昇すると、歪みが解放され、材料の形状が元の形状に戻ります。^[23]もちろん、これは不可逆的な動きが 1 つしかないことを示唆していますが、最大 5 つの一時的な形状を持つことが実証されている材料もあります。^{[24]形状記憶ポリマーの最も単純でよく知られている例の 1 つは、} Shrinky Dinksと呼ばれるおもちゃです。これは、加熱すると大幅に収縮する形状を切り抜くために使用できる、事前に引き伸ばされたポリスチレン(PS) シートで作られています。これらの材料を使用して製造されたアクチュエータは、最大1000%のひずみを達成することができ^{[25] 、<50 kJ m −3}から最大2 MJ m ⁻³までの広い範囲のエネルギー密度を実証しています。^[26] SMPの明確な欠点は、応答が遅い（> 10秒）ことと、生成される力が低いことです。^{[20] SMPの例には、}ポリウレタン（PU）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンオキシド（PEO）などがあります。
• 形状記憶合金は、ソフトロボットの駆動のための別の制御システムにも利用されています。^[27]バネは金属という従来は硬い素材で作られていますが、非常に細いワイヤーで作られており、他の柔らかい素材と同様に柔軟です。これらのバネは、質量に対する力の比率が非常に高いのですが、熱を加えると伸びてしまうため、エネルギー効率が悪いのです。^[28]

• 空気圧人工筋肉は、ソフトロボットで使用される別の制御方法であり、柔軟なチューブ内の圧力を変化させる方法である。このようにして、人工筋肉は筋肉として機能し、収縮したり伸びたりして、取り付けられているものに力を加える。バルブを使用することで、ロボットは追加のエネルギー入力なしでこれらの筋肉を使用して所定の形状を維持できる。ただし、この方法では、通常、外部の圧縮空気源が機能する必要がある。比例積分微分（PID）コントローラは、空気圧筋肉で最も一般的に使用されるアルゴリズムです。空気圧筋肉の動的応答は、PIDコントローラのパラメータを調整することで調整できます。^[29]

センサーはロボットの最も重要なコンポーネントの 1 つです。当然のことながら、ソフト ロボットは理想的にはソフト センサーを使用します。ソフト センサーは通常、変形を測定できるため、ロボットの位置や剛性を推測できます。

ソフトセンサーの例をいくつか示します。

• ソフトストレッチセンサー
• ソフト曲げセンサー
• ソフト圧力センサー
• ソフトフォースセンサー

これらのセンサーは、以下の測定に依存しています。

• 圧電抵抗:
  • 導電性粒子を充填したポリマー、^[30]
  • マイクロ流体経路（液体金属、^[31]イオン溶液^[32]）、
• 圧電性、^{[33] [34]}
• 静電容量、^{[35] [36]}
• 磁場、^{[37] [38]}
• 光損失、^{[39] [40] [41]}
• 音響損失^[42]

これらの測定値は制御システムに入力できます。

ソフトロボットは医療分野で、特に侵襲的手術に応用することができます。ソフトロボットは形状変化特性があるため、手術の補助に使用できます。形状変化は、ソフトロボットが形状を調整することで人体のさまざまな構造を移動できるため重要です。これは流体駆動によって実現できます。^[43]

ソフト ロボットは、患者のリハビリ、高齢者の介助、または単にユーザーの筋力強化のための柔軟な外骨格スーツの作成にも使用できます。ハーバード大学のチームは、これらの材料を使用して外骨格スーツを作成しました。これは、硬質材料が人の自然な動きを制限するという欠点がなく、外骨格スーツによって提供される追加の強度の利点が得られるためです。外骨格スーツは、着用者の筋力を増強するためにモーター付きの筋肉が取り付けられた金属フレームワークです。外骨格とも呼ばれるロボット スーツの金属フレームワークは、着用者の内部骨格構造をある程度反映しています。

このスーツにより、持ち上げた物体ははるかに軽く感じられ、時には無重力にさえなり、怪我を減らし、コンプライアンスを向上させます。^[44]

従来、製造ロボットは安全上の懸念から人間の作業員から隔離されてきました。硬いロボットが人間と衝突すると、ロボットの動きが速いため簡単に怪我をする可能性があります。しかし、柔らかいロボットは、衝突してもロボットの柔軟性により怪我の可能性が防止または最小限に抑えられるため、人間と一緒に安全に作業できます。

ソフトロボットによるバイオミミクリーの応用は、海洋や宇宙探査である。地球外生命の探索では、水は地球上の生命の源であるため、科学者は地球外の水域についてもっと知る必要がある。ソフトロボットは、水中を効率的に移動できる海の生き物を模倣するために使用できる。そのようなプロジェクトは、NASAの革新的先進概念（NIAC）からの助成金を受けて、2015年にコーネル大学のチームによって試みられた。^{[45]チームは、木星の衛星エウロパの氷層の下の海を効率的に探査するために、水中での動き方で}ヤツメウナギやイカを模倣するソフトロボットの設計に着手した。しかし、水域、特に他の惑星の水域を探索するには、独特の機械的および材料的課題が伴う。2021年、科学者はマリアナ海溝の海の最深部の圧力に耐えることができる、深海での活動のためのバイオに触発された自己駆動型ソフトロボットを実証した。このロボットは柔軟な素材でできた人工筋肉と翼を備え、シリコン製のボディには電子機器が内蔵されている。深海探査や環境モニタリングに使用できる可能性がある。^{[46] [47] [48]} 2021年、デューク大学の研究チームは、水中の酸性度変化、温度変動、油汚染物質を監視する機能を備えたトンボ型のソフトロボット「DraBot」を報告した。^{[49] [50] [51]}

動物のように見えるか、そうでなければ識別が難しいソフトロボットは、監視やその他のさまざまな目的に使用できます。^[52]また、野生動物などの生態学的研究にも使用できます。^[53]ソフトロボットは、新しい人工カモフラージュも可能にします。^[54]

ソフトロボット設計が従来のロボット設計に比べて優れている点は、軽量化（重いペイロードは打ち上げコストが高い）と安全性の向上（ロボットが宇宙飛行士と一緒に作業できる可能性がある）である。^[75]

ソフトロボット、特に生命を模倣するように設計されたものは、設計された目的の動作やタスクを実行するために、周期的な負荷を受ける必要があることが多い。たとえば、上記のヤツメウナギやイカのようなロボットの場合、動作には水の電気分解とガスの点火が必要であり、ロボットを前進させるために急速な膨張を引き起こす。^[45]この反復的で爆発的な膨張と収縮は、選択されたポリマー材料に激しい周期的負荷がかかる環境を作り出す。遠隔地の水中やエウロパのような遠隔惑星上のロボットは、修理や交換が事実上不可能であるため、疲労亀裂の発生と伝播を最小限に抑える材料と設計を選択するように注意する必要がある。特に、疲労限界、つまりポリマーの疲労応答が周波数に依存しなくなる応力振幅周波数を持つ材料を選択する必要があります。^[76]

第二に、ソフトロボットは柔軟性の高い材料で作られているため、温度の影響を考慮する必要があります。材料の降伏応力は温度とともに低下する傾向があり、ポリマー材料ではこの影響はさらに極端です。^[76]室温およびそれ以上の温度では、多くのポリマーの長い鎖は伸びて互いに滑り合うため、応力が一箇所に集中するのを防ぎ、材料を延性にします。^[77]しかし、ほとんどのポリマーは延性から脆性への遷移温度^[78]があり、この温度以下では長い鎖が延性的に反応するのに十分な熱エネルギーがなく、破損する可能性が高くなります。ポリマー材料が低温で脆くなる傾向は、実際にスペースシャトル チャレンジャー号の事故の原因であると考えられており、特に医療に導入されるソフトロボットでは、非常に真剣に受け止めなければなりません。延性から脆性への遷移温度は、必ずしも「冷たい」と考えられる温度である必要はなく、実際には結晶度、靭性、側鎖のサイズ（ポリマーの場合）、およびその他の要因に応じて、材料自体の特性です。^[78]

• ソフトロボティクス（SoRo）
• ロボティクスとAIのフロンティアのソフトロボティクス部門
• 科学ロボット工学

• 2018 Robosoft、第1回IEEE国際ソフトロボティクス会議、2018年4月24日～28日、イタリア、リボルノ
• 2017 IROS 2017 触覚、インタラクション、ディスプレイのためのソフト形態デザインに関するワークショップ、2017 年 9 月 24 日、バンクーバー、ブリティッシュコロンビア州、カナダ
• 2016年第1回ソフトロボティクスチャレンジ、4月29日～30日、イタリア、リボルノ
• 2016 ソフトロボティクスウィーク、4 月 25 ～ 30 日、イタリア、リボルノ
• 2015年「ソフトロボティクス：アクチュエーション、統合、アプリケーション - ソフトロボティクス技術の飛躍に向けた研究視点の融合」ICRA2015、シアトル（ワシントン州）
• 2014 ソフトロボティクスの進歩に関するワークショップ、2014 ロボティクス サイエンス アンド システム (RSS) カンファレンス、カリフォルニア州バークレー、2014 年 7 月 13 日
• 2013 国際ソフトロボティクスおよび形態学的計算ワークショップ、モンテ・ヴェリタ、2013 年 7 月 14 ～ 19 日
• 2012 ソフトロボティクスサマースクール、チューリッヒ、2012 年 6 月 18 日～22 日

2014年のディズニー映画『ベイマックス』には、もともと医療業界での使用を目的に設計されたソフトロボット、ベイマックスが登場する。映画の中でベイマックスは、膨らんだビニール製の外装が機械の骨格を覆っている、大きくて威圧感のないロボットとして描かれている。ベイマックスのコンセプトの基盤は、カーネギーメロン大学ロボット研究所のロボット学者クリス・アトキソンの研究など、医療分野におけるソフトロボットの応用に関する実際の研究から生まれたものである。^[80]

2018年のソニーのアニメ映画『スパイダーマン：スパイダーバース』には、ソフトロボットで作られた触手を使って敵を制圧する スーパーヴィランのドクター・オクトパスの女性版が登場する。

アニメシリーズ『Helluva Boss』の第 4 話では、発明家の Loopty Goopty が、先端にさまざまな武器が付いた柔らかいロボットの触手を使って、IMP のメンバーを脅し、友人の Lyle Lipton を殺害させます。

• 関節式ソフトロボティクス
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• ソフトロボット - レビュー (Elveflow)
• 誘電エラストマーアクチュエータ (softroboticstoolkit.com)
• HEASEL アクチュエータ: ソフト マッスル (nextbigfuture.com)。