クラゲのように見える7cmのガジェットは、実際にはチーターに似た最速のソフトロボットです

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長さ7cm、重さ45g。

急な坂を駆け上ったり、水中を泳いだり、走ったり、ジャンプしたり、重いものを持ち上げたりすることができます...

そしてそれはジェリービーンズのような柔らかいロボットです。

おそらく、その最も支配的な側面は、その原型であるチーターです。はい、それは「アイブロウシロップ」を追いかけているのと同じ動物ですが、陸上で最速の生き物でもあります。

ソフトロボットはこんな感じ

ショーは「小さなチーター」が誘惑的に揺れるGIFで始まる。

[Leifeng.com 注記: このソフトロボットはチーターがベースになっているため、読みやすさを考慮して記事では「小さなチーター」と呼んでいます]

柔らかい素材自体の限界により、大量の機械的エネルギーを素早く蓄積したり放出したりすることが難しく、一般的なソフトロボットの移動速度や動作強度も制限されます。しかし、チーターがチーターである理由は、普通のソフトロボットとは異なる点にあります。

研究者らは、チーターが高速で走る際の脊椎の動きのメカニズムにヒントを得て、双安定脊椎をベースにしたハイブリッドソフトアクチュエーターをソフトロボットの設計に使用し、可逆的に連動する双安定状態を通じて同様の脊椎の屈曲と伸展を実現しました。

その結果、この小型チーターは高速で移動できるだけでなく、高強度の物体を操作することにも長けています。

この研究論文は、「弾性不安定性を活用してパフォーマンスを向上：脊椎にヒントを得た高速・高力ソフトロボット」というタイトルで Science Advance に掲載されました。

記事によると、チーターの子は体長約7センチ、体重45グラム。主にバネ駆動の双安定構造（骨格の背骨）と2つの柔らかい空気圧曲げアクチュエータ（骨格の筋肉）の2つの部分で構成されている。

チーターが走るときの姿勢を想像してください。背中を曲げ、手足を空中に伸ばし、着地するときに手足を縮めてよろめきます。チーターがベースになっているので、写真のように小さなチーターもこのように走ります。

写真はこんな感じです

しかし、このように動きます

この動きの姿勢を見ると、チーターがフレームインされているように感じます。

チーターは、柔らかい空気圧曲げアクチュエータを使用して、2 つの安定した状態間での高速で切り替え可能な弾性スナップを実現することができました。

前述のように、一般的な柔らかい機械は機械的エネルギーを蓄えたり放出したりすることが困難です。そのため、研究者はチーター設計時にチーター骨格の背骨に線形バネを追加し、バネに予め張力をかけたりバネの硬さを調整したりすることでエネルギー貯蔵を実現しました。

チーター構造設計では、スプリングが増幅器として機能し、速度と力を増加させるだけでなく、弾性の調整スペースも改善します。

研究者たちはこの設計を「双安定ハイブリッドソフトアクチュエータ設計」と呼んでいます。

IIとIIIは安定状態である

パフォーマンスの観点から見ると、チーターが走っているとき、その骨格の背骨は上下に曲がり、手足は収縮と伸張を切り替えます。空中にいるときや底に触れているときは、背骨は限界まで伸び、柔らかい空気圧曲げアクチュエータとバネのエネルギーは低い点にあります。これが「双安定状態」です。

注目すべきは、この小さなチーターはまだ積極的にブレーキをかけることができないが、空気チューブに接続して膨らませ、空気ポンプで交互に跳ね返らせることで、前方に頭を下げて地面を蹴り飛ばすことと空中に飛び出すことを切り替えることができるということだ。

チーターは最高時速29m/sを誇る陸上最速の動物です。では、チーターを模したこの7cmのミニチーターロボットは、実際にどのように動くのでしょうか？

機械は小さいが、過小評価してはならない

研究によると、約3Hzの低い駆動周波数では、チーターロボットの速度は1秒あたり体長2.7倍、つまり約18.75cm/秒に達する可能性があるという。チーターと比べると、小さなチーターはそれほど力強くないようです。

しかし、チーターの子はソフトロボットであり、チーターと同じ種類の物体ではないことを知っておく必要があります。したがって、この 2 つを比較することには実際の意味はありません。正しい比較対象は、他のソフトロボットであるべきです。

これまでのソフトロボットの最速速度が1秒あたり体長0.8倍に過ぎなかったのに対し、チーターはその3倍以上の速度だ。

それだけでなく、これまでのソフトロボットは地面を這うことしかできませんでしたが、この小さなチーターは坂を上るだけでなく、水に入ることもでき、物をつかむのも得意です。

最高のパフォーマンスを見せたのは小さなチーター（左と上）

登攀試験実験では、研究者らはチーターと他の2台のソフトロボットを傾斜角17度の斜面に配置した。結果によると、小さなチーターだけが丘を素早く登ることができ、他の2体のソフトロボットは苦戦しているようで、丘を登ることができなかった。

水中実験では、研究者らはチーターが持つ柔らかい曲げアクチュエーターを水中移動用に再パッケージ化した。改良型チーターは全長約150mm、重量51gで、そのうち曲げアクチュエータの長さは45mmです。

実験結果によると、チーターは水中を最高速度11.7cm/sで移動することができ、これは他の2つのソフトロボットよりもそれぞれ32%と122%速い速度です。

チーターソフトロボットは、掴み作業において、卵などの壊れやすい物体だけでなく、重さ11.4kgの重い物体も掴むことができます。どのくらいの重さの物をつかめるかは、主にバネによって決まります。バネの剛性が高ければ高いほど、つかむ能力は強くなります。

しかし、ソフトロボットの場合、壊れやすい物体を掴むには、重い物体を掴むよりも高い要件が必要です。まず、物を掴むときに軽く、グリッパーが柔らかくて掴む力があることが求められます。さらに、動作中はスプリングは常に非アクティブな状態を維持する必要があります。

諺にあるように、優しく取って、優しく置いてください。

ソフトロボットの道のりは長い

硬いロボットに比べると、柔らかいロボットの開発は遅れています。

巡回、配達、教育などの場面で使用されてきた硬いロボットと比較すると、柔らかいロボットはまだ学術的な成果を生み出す段階にあります。

香港科技大学ロボット研究所所長の王宇氏はかつて世界ロボット会議で、ソフトロボットの開発は機械的動作原理、剛性構造、駆動とフィードバックという3つの重要な課題に直面していると述べた。

同時に、彼は、ソフトロボットはますます増え、小さな問題の解決にも多かれ少なかれ進歩があるだろうと付け加えた。徐々に、これらの成功事例と経験を統合して、ソフトロボットの理論的発展を可能にすることができる。チーターに似たソフトロボットは、理論的研究開発の1つである。

ほんの少しの改善ではありますが、質的な変化は量的な変化の結果ではないでしょうか？