プログラム可能な磁気駆動ソフトロボットが登場しました!科学サブジャーナル：この原理は19世紀後半に提案されました

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自然界では、花は風に揺れます。

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科学者たちは実験室でも同様の結果を達成した。

しかし、「動く花びら」の原動力は風ではなく磁場です。このアイデアに従って、磁場によって駆動されるプログラム可能なソフトロボットも設計されました。

このロボットの背後にあるチームは、マックス・プランク知能システム研究所の物理知能部門、カーネギーメロン大学機械工学部、トルコのコック大学医学工学部、およびスイス連邦工科大学チューリッヒ校生物医学工学研究所の研究者グループです。

2020年9月18日、同チームの研究成果は「磁性ソフトマシンの再プログラム可能な形状モーフィング」と題して、トップ学術誌「サイエンス」の子会社である「サイエンス・アドバンス」に正式に掲載された。

ソフトロボットを動かすものは何でしょうか?

ソフトロボットが世間の注目を集めています。

香港科技大学ロボット研究所所長の王宇氏は、2018年世界ロボット会議で、最も基本的な観点から、ソフトロボットには3つの大きな問題がある、つまりソフトロボットシステムをどのように定義するか、ソフトロボットシステムを設計/制御する方法、そしてソフトロボットシステムを製造する際の材料の問題であると述べました。

2 番目の主要な問題に関して、王宇教授は次のように考えています。

ヒンジとセンサーを使用して、ソフトロボットでどのように動きを生成するか、さらに複雑な問題として、どのように動きを制御するかという問題を解決することは不可能です。自由度が無限にあるため、制御は非常に厄介な問題になります。それは、ソフトロボットシステムをどのように駆動するか、そして最終的にどのように良好な制御を実現するかによって決まります。

つまり、ソフトロボットにとって、駆動方法は重要な部分なのです。

実際、ソフトロボットの開発は、材料科学、ロボット工学、生体力学、センシング、制御など、複数の分野の進歩と切り離せないものであり、近年の関連分野の急速な発展に伴い、さまざまな駆動方法を備えたソフトロボットが登場し始めています。

たとえば、ガス駆動- ロボット工学と自動化に関する国際会議 ICRA 2017 で、カリフォルニア大学サンディエゴ校のロボット研究所は、ガスで駆動し、各脚が 3 本の伸縮式ゴムチューブで作られた 3D プリントの柔らかい四足ロボットを発表しました。

もう一つの例は光源駆動です。2016年にポーランドのワルシャワ大学物理学部の研究者が液晶エラストマーでできたソフトロボットを設計しました。可視光にさらされるとロボットは変形し、それに応じて体が動きます。

自動運転についても、2016年にハーバード大学ウィス生物学インスパイアードエンジニアリング研究所が世界初の完全に柔らかい自動運転ロボットを開発しました。このロボットは4～8分間、独立して動作できると言われています。当時、この「小さなタコ」はネイチャー誌にも取り上げられました。

さて、上記のような磁場で駆動するソフトロボットには前例があるのでしょうか?もちろん。

また、2016年には、アメリカの科学者が魚からヒントを得て「ナノフィッシュロボット」を開発した。その応用シナリオは、人体内に薬剤を送達することである。この小さな魚は磁力で動かされており、泳ぐ速度と方向は磁場の方向と強さによって決まります。

問題は、4年経った今、磁気駆動ソフトロボットシステムにはどのような革新がもたらされたかということです。

二酸化クロム微粒子の高スループット磁気プログラミング

まず明らかにしておきたいのは、科学者たちはこのロボットを「磁場によって駆動するプログラム可能なソフトロボット」と呼んでいるということであり、これはこのロボットの画期的な点は「プログラム可能性」にあるということを意味している。

科学者らによると、磁気駆動ソフトロボットは低侵襲医療やウェアラブルデバイスなどの分野に応用されているが、ロボット内部の磁場分布は事前に設定されたパターンに従って製造されており、再プログラムすることはできないという。

科学者の言葉によれば：

現在の磁気プログラミング方法は、本質的に連続的な製造プロセスと連動しており、再プログラミングやスループットプログラミングが不可能になっています。

これを踏まえて、チームの戦略は熱アシスト磁気プログラミングです。

最初のステップでは、レーザーを使用して、軟質磁性材料を、ソフトロボットシステムに埋め込まれた 10 マイクロメートル サイズの二酸化クロム粒子のキュリー温度を超える温度まで局所的に加熱します。

キュリー温度はキュリー点とも呼ばれ、19 世紀後半にピエール・キュリーによって提唱されました。これは、磁性体の自発磁化がゼロに低下する温度を指します。

• 温度がキュリー点より低い場合、材料は強磁性体になり、材料に関連付けられた磁場は変化しにくくなります。

• 温度がキュリー点よりも高くなると、物質は常磁性体となり、物質に関連する磁場は周囲の磁場の変化に応じて容易に変化します。

したがって、科学者が行う必要がある最初のステップは、ソフトロボットシステムに埋め込まれた永久強磁性粒子を加熱して常磁性体に変え、その磁場が外部要因の影響を受けるようにすることです。

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[マリー・キュリーの夫ピエール・キュリー]

2 番目のステップでは、冷却プロセス中に磁場を適用して、ソフト ロボット システムに埋め込まれた永久強磁性粒子の磁気ドメインを再配向します。

ここで、磁区とは何かを説明する必要があります。

分子と原子が物質の基本要素（生物を構成する高分子上の局所領域）を形成できることは、誰もが知っています。基本要素内の電子は原子核の周りを回転して電流を形成し、それが磁場を発生させます。

したがって、各ユニットセルは小さな磁石に相当し、多数のユニットが集まって大きな構造を形成します。構造内のすべてのユニットが同じ方向の磁場を生成する場合、この構造は磁区と呼ばれます。

上記の戦略に従って、科学者たちは高い空間分解能（約 38 μm）で離散的、3 次元的、かつ再プログラム可能な磁化を実証しました。

上図のパート A は、上記 2 つのステップの概略図です。

パート B は、二酸化クロム粒子をキュリー温度 (118°C) まで加熱するのに 1.7 秒かかり、キュリー温度の半分まで冷却するのに 4 秒かかったことを示しています。パート C は、熱アシスト磁化が 90% に達することを示しています。

ソフトロボティクスの可能性を解き放つ

それで、この戦略はどれほど効果的でしょうか?

論文では、チームがプログラム可能な磁化を利用してソフトロボット内部の磁場分布を変えることに成功したと紹介されている。その結果、補助メタマテリアル構造の機械的挙動を再構築し、歩行するソフトロボットの動きを調整し、ソフトクランプで適応的な把持を実現できるようになります。

下の図に示すように、異なる 3 次元磁化曲線を持つ構造群は、磁場の作用により複雑な 3 次元構造に変換されます。

さらに、研究チームは3次元の磁化された「スティックマン」構造を設計した。体、肩、腕、頭のどれであっても、磁場によって駆動され、「棒人間」は複雑な三次元変形を起こすことがわかります。

研究チームはまた、磁化による再プログラム可能な適応型ソフトクランプも設計しました。

それだけでなく、科学者たちは磁場分布転送を利用して知恵の女神アテナの頭部も作りました。

全体として、この戦略は、38 ミクロン レベルでの高スループットの磁気プログラミング (最大 10 レプリカ サンプル/分) を実現するとともに、マルチスケールの再プログラム可能なソフト ロボットの開発のための豊富な設計空間と大規模な製造の可能性も提供します。

ソース：

出典：https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/38/eabc6414.full.pdf