カメレオンの舌からヒントを得て、研究者らは、蓄積された弾性エネルギーを用いて高出力かつ高速の動きを再現できるソフトロボットを開発した。
カメレオン、サンショウウオ、そして多くのヒキガエルは、蓄積された弾性エネルギーを使って粘着性のある舌を発射し、体長の1.5倍程度までの距離にいる、警戒していない昆虫を、10分の1秒以内に捕らえる。
研究者らは、輪ゴムに似た伸縮性のあるポリマーと、加圧によって膨張する内部の空気圧式チャンネルを用いてロボットを製作した。弾性エネルギーを蓄えるため、製作工程においては、自然に着想を得た原理に従い、ロボットの本体を一方向または複数の方向に引き伸ばす。
カメレオンの舌の打ち出しと同様に、予め応力をかけた空気圧式ソフトロボットは、自身の長さの5倍まで伸び、生きたハエの甲虫を捕らえ、わずか120ミリ秒で引き戻すことができる。
「カメレオンのように、このような大振幅の動きを高速で行えるロボットを製作できれば、多くの自動化されたタスク自動化されたタスクをより正確かつはるかに速く完了できるだろうと考えていました」と、パデュー大学の工学部およびウェルドン生物医学工学部の助教授であるラムセス・マルティネス氏は述べる。
「従来のロボットは、一般に硬く重い部品で構成されており、慣性によって動作が遅くなります。私たちはその課題を克服したいと考えていました。」
50ミリ秒で反応
ミユビゲラなど多くの鳥類は、脚の後部にある、張力のかかった腱に蓄えられた弾性エネルギーを利用して、ゼロパワーでの止まり木への留まりを実現しており、眠っている間も止まり木から落ちずにいられる。
これらの鳥の身体構造は、重量の最大100倍までの物体をゼロパワーで保持でき、最大116度の角度で逆さまに止まることができるロボットグリッパーの製作の手本となった。
この動画は、鳥に着想を得たこのソフトロボットグリッパーが、毎秒10ミリメートルで動くボールを、わずか65ミリ秒で捕らえる様子を示している。
これらのソフトアームの、掴む対象物への適合性により、グリッパーの接触面積が最大化され、把持が強化されるとともに、高速での捕捉とゼロパワーでの保持が容易になる。
この動画は、これらのグリッパーが最大116度までの角度で逆さまに止まる様子を示している。
植物にも、「捕虫機構」を用いて弾性エネルギーを活用し、高速の動きを実現するものがある。ハエトリグサは、双安定性で湾曲した葉に蓄えられた弾性エネルギーを利用して、内面を探索する獲物をすばやく閉じ込める。
この高速カメラの動画は、このソフトロボットのハエトリグサが一瞬で閉じる様子を示している。
ハエトリグサの捕虫機構に着想を得て、またトカゲが昆虫を捕らえる仕組みを研究し、研究者らはソフトロボットのハエトリグサを作製した。このロボットは、短い加圧刺激を受けてからわずか50ミリ秒で閉じる。
超高速
マルティネス氏によると、これらの新しい予め応力をかけたソフトロボットは、既存のソフトロボットシステムに比べていくつかの重要な利点を持つ。第一に、さまざまな物体を高速で掴み、保持し、操作することに優れている。予め応力をかけたエラストマー層に蓄えられた弾性エネルギーを利用することで、外部電力を消費することなく、自身の重量の最大100倍までの物体を保持できる。
研究者は、アンチスリップの微小スパイクを備えた柔らかい表皮を容易に形成でき、それによって牽引力が大幅に高まり、長時間にわたって逆さまに止まることが可能になり、生きた獲物の捕獲も容易になる。
「ここで提案する設計および製作の戦略は、既存のロボットでは到達できない速度と動きを、弾性エネルギーを活用して実現できる、まったく新しい世代のソフトロボットへの道を開くものと考えています」とマルティネス氏は述べる。
この論文は、Advanced Functional Materialsに掲載されている。マルティネス氏と彼のチームは、ロボットおよびその他の設計における革新に関連する技術の一部を特許化するため、パデュー研究財団の技術商業化室と協力してきた。
