ハルビン工業大学は、象の鼻と同じくらい柔軟な人工筋肉を備えた柔軟なロボットを開発しました。

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柔らかいロボットの急速な発展により、冷たくて硬いというのはロボットに対する私たちの固定観念に過ぎないことに人々はますます気づき始めています。

最近、国際的に有名な学術誌「ソフト・ロボティクス」に、ハルビン工業大学のレン・ジンソン教授チームと米国メリーランド大学のノーマン・M・ウェリー教授チームによる「象の鼻にヒントを得た斬新な曲げとらせん状の伸張/収縮空気圧人工筋肉」と題する共同研究成果が掲載されました。

Leifeng.com は、上記の研究チームが象の鼻からインスピレーションを得て、空気圧人工筋肉 (PAM) をベースにした新しいタイプの柔軟なロボットを開発したことを知りました。

人工筋肉

この研究では「空気圧人工筋肉」が中核となる要素です。

空気圧人工筋肉は人工筋肉の一種です。人工筋肉は電気活性ポリマーとも呼ばれ、新しいタイプのインテリジェントポリマー材料です。バリン、プロリン、グリシンの3つのアミノ酸で構成され、生物学的原理に基づいて一定の順序で配置されています。外部電界下で内部構造を変化させることで、伸びたり、曲がったり、締め付けたり、拡張したりすることができ、生物の筋肉繊維に非常に近いものです。

空気圧人工筋肉は、その名の通り、外部の圧縮空気によって駆動され、押したり引いたりする動作を行う人工筋肉です。柔軟性、軽量性、環境に優しいという利点があります。この素材は軽量（最小でも10g）ですが、大きなパワーを発揮します。「小さな力で大きな力を動かす」と表現するのが最も適切です。

実際、空気圧人工筋肉は、生物の筋繊維に似たバイオニック織り構造と骨格筋に似た特性を持つことから、柔らかいバイオニックロボット、可変剛性の静水圧骨格などの分野で広く使用されています。さらに、このタイプの材料は、医療、ロボット工学、軍事、航空宇宙、光学などの分野で重要な役割を果たしており、大きな商業的可能性を秘めています。

1940 年代初頭から、研究者たちはこの分野の研究を始めました。 2019年7月、MITの研究チームはサイエンス誌に論文を発表し、熱膨張係数の異なる2種類のポリマー材料（高密度ポリエチレンと環状オレフィン共重合体エラストマー）から作られた新しい人工筋肉を紹介した。この人工筋肉は加熱されると自由に伸縮し、自身の650倍の重さの物体を持ち上げることができる。この研究は、最新号の『サイエンス』の表紙にも掲載されました。

[空気圧人工筋肉画像出典百度百科]

「象の鼻のような」フレキシブルロボット

近年、多くの研究チームが花びら、ハヤブサ、ヘビ、ハト、魚、ウサギなどからインスピレーションを得て、さまざまな形状の柔軟なロボットを設計しています。今回、ハルビン工業大学の研究チームは象の鼻からヒントを得て、新しいタイプの柔軟なロボットを設計した。

研究チームは、空気圧人工筋肉の動きはある程度一軸の収縮と伸長に限定されており、それが開発にも限界があると指摘した。

この目的のために、研究チームは、伸縮性/収縮性空気圧人工筋肉をベースに、新しいタイプの湾曲した螺旋状の伸縮性/収縮性空気圧人工筋肉（HE-PAM/HC-PAM）を設計しました。

論文によると、HE-PAM/HC-PAM は主にエンド フィッティング、弾性チューブ、編組チューブ、埋め込まれたフレキシブル フレームで構成されています (下図参照)。

HE-PAM/HC-PAM が膨張すると、軸を中心に曲げと回転運動が生じ、動物園で見られる象の鼻の曲げと回転に似た螺旋状の変形がアクチュエータに生じます。

伸張と収縮の区別は主に「織り角度」によって決まります。織り角度が 54.74 度を超える場合は HE-PAM (下の図 i)、織り角度が 54.74 度未満の場合は HC-PAM (下の図 ii) です。

これを基に、研究チームは、象の鼻を模倣した高自由度のフレキシブルアームを通じて、フレキシブルロボットの分野における HE-PAM/HC-PAM の潜在的な応用を検討しました。研究者らは、HC-PAMは出力と負荷容量が強く、HE-PAMはより大きな変形を生み出せると述べた。

この研究は統一された理論的アプローチを提案しており、他の研究者にとって信頼できる参考資料となることは特筆に値します。研究チームは実験と分析を通じて、空気圧人工筋肉の一般化された曲げ挙動モデルを確立し、同じ理論的枠組みの下で軸、曲げ、螺旋空気圧人工筋肉の特性を研究しました。

軸型、曲げ型、螺旋型の空気圧人工筋肉は、ソフト分類ロボット、探索ロボット、生物ロボット、動作補助外骨格、力フィードバックウェアラブルデバイスなど、さまざまな方向に広く使用できることがわかっています。

人間と機械の相互作用を改善する柔軟なロボット

実際、人工筋肉材料は今日、研究の最前線かつホットな話題となっており、これはフレキシブルロボットの分野への注目の高まりと密接に関係しています。

100年前、チェコスロバキアの作家カレル・チャペックは、ロボタ（チェコ語で「労働、重労働」）とロボトニック（ポーランド語で「労働者」）に基づいて、SF小説の中で「ロボット」という言葉を作り出した。 100 年経った今、ロボットはもはや単なる硬くて冷たい機械ではありません。柔軟なロボットが私たちの視野に入ってきています。産業用柔軟ロボットと生物学的柔軟ロボットが、その 2 つの主要な分野です。

Leifeng.com は、柔軟なロボットが持つ特性として、素材の柔らかさ、優れた環境適応性、超強力な安全性、優れた人間とコンピューターの相互作用などがあることがわかりました。香港科技大学ロボット研究所所長兼機械航空工学教授の王宇氏は、2018年世界ロボット会議で次のように述べた。

硬い素材に比べ、柔らかい素材ははるかにインタラクティブです。新しいロボットを柔らかい素材で作れば、新しい応用分野が開拓されるかもしれません。

しかし、上記の特性を完璧に組み合わせるには、まだ多くの技術的な困難が残っています。研究者たちは現在、突破口を探しています。たとえば、中国科学院物理化学研究所の研究員で清華大学教授の劉静氏が率いるチームは、フレキシブルロボットの分野で常温液体金属の応用を検討しており、MITの研究者は3Dプリントと油圧駆動を使用してロボットの動きを駆動しています。

フレキシブルロボットの分野は、現段階ではまだ比較的「概念的」ではありますが、幅広い応用の見通しがあり、将来的には必ず新たな変化をもたらすでしょう。

著者について

Leifeng.com は、この論文の責任著者がハルビン工業大学航天学院複合材料・構造研究所の博士課程指導教員である Leng Jinsong 教授であることを知りました。

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【画像出典：百度百科】

1992 年以来、冷金松教授はハルビン工業大学でインテリジェント材料システムと構造に関する研究を開始しました。主な研究分野には、インテリジェント材料システムと構造システム、光ファイバーセンサー、構造ヘルスモニタリング、複合材料構造設計とプロセス技術、可変翼航空機、構造振動のアクティブ制御、光ファイバー通信とマイクロ波光電子デバイス、マイクロ電気機械システムなどがあります。

さらに、Leng Jinsong教授は、International Journal of Smart & Nano Materialsの編集長であり、Smart Materials & StructuresやJournal of Intelligent Material Systems and Structuresなどの国際ジャーナルの副編集長でもあります。 2006年に教育部新世紀優秀人材計画に選ばれ、2007年に長江学者優秀教授に選ばれ、2018年にヨーロッパ科学アカデミー物理工学部門外国人院士（Academia Europaea会員）に選出された。