研究者らは、ソフトロボットに使用するための新しい金属ベースの素材を開発しました。
「酸化グラフェン支援テンプレート合成」と呼ばれる新しいプロセスにより、ソフトロボットに使用するための新素材が作られます。
「折り紙ロボット」は、最先端のソフトで柔軟なロボットであり、人体内での薬剤送達、災害現場での捜索救助活動、ヒューマノイド型ロボットアームなどへの応用が期待されています。
これらのロボットは柔軟性が求められるため、紙、プラスチック、ゴムなどの柔らかい素材で作られることがよくあります。機能させるためには、センサーや電子部品を上から追加することが多いのですが、それによって装置が嵩張ってしまいます。
白金などの金属を燃焼させた紙（灰）と組み合わせることで、新素材は従来の紙とプラスチックの折り畳み性と軽量性という特長を維持しながら、性能が向上しています。実際、新素材は紙の半分の軽さであり、これによりエネルギー効率もさらに高まります。
義肢とソフトロボット
これらの特性により、新素材は柔軟で軽量な義肢の製造に有力な候補となっています。従来の義肢と比べて最大60％軽くすることが可能です。このような義肢は、リアルタイムでひずみを検知し、どの程度曲がっているかをフィードバックできるため、利用者はより細かな制御や即時の情報を得られます。しかも、そうした情報の取得に外付けセンサーを必要としないため、義肢に余計な重量が加わることもありません。
この軽量な金属製の骨格は、折り紙ロボットの製造に使用される従来の素材と比べて少なくとも3倍軽量です。また、よりエネルギー効率にも優れており、折り紙ロボットは30％少ないエネルギーでより速く動作できるようになります。さらに新素材は耐火性も備えているため、過酷な環境で稼働するロボットにも適しています。新素材は、約800℃（1,472°F）の燃焼に最大5分間耐えることができます。
加えて、この導電性素材は、必要に応じて地熱加熱のような機能を発揮します。素材に電圧を印加すると発熱し、寒冷環境でロボットが作業する際の着氷による損傷の防止に役立ちます。これらの特性により、軽量で柔軟な捜索救助ロボットを開発できる可能性があり、そのようなロボットは危険区域に入りながら、リアルタイムでのフィードバックと通信を行うことができます。
新素材の製造方法
研究者らは、「酸化グラフェン支援テンプレート合成」と呼ばれる新しいプロセスを通じて、金属ベースの素材を作製しました。まず、セルロース紙を酸化グラフェン溶液に浸し、その後、白金などの金属イオンを含む溶液に浸漬します。その後、素材は不活性ガスであるアルゴン中で800℃（1,472°F）、続いて空気中で500℃（932°F）で焼成されます。
最終製品は、厚さ90マイクロメートル（μm）、すなわち0.09mmの薄い金属層であり、70％の白金と30％の非晶質炭素（灰）で構成されています。曲げ、折り畳み、伸ばすことができるほどの柔軟性を備えています。金や銀などの他の金属も使用できます。
本研究は学術誌「Science Robotics」に掲載されています。
チームリーダーのChen Po-Yen氏は、研究にフェニックス（不死鳥）の形に切り抜いたセルロースのテンプレートを使用しました。「私たちはこの神話上の生き物からインスピレーションを得ました。フェニックスと同じように、燃えて灰になっても、より強力になって生まれ変わることができるのです」と、シンガポール国立大学（NUS）化学生体分子工学科の助教授であるChen氏は述べています。
導電性の骨格
チームの素材は、機械的に安定し、柔らかく、導電性を持つ骨格として機能することができ、外付けの電子部品を必要とせずに、ロボットにひずみ検知と通信機能を持たせることができます。
素材が導電性を持つということは、それ自体が無線アンテナとして機能することを意味し、外付けの通信モジュールを必要とせずに遠隔操作者や他のロボットと通信することができます。これにより、折り紙ロボットの用途が広がります。例えば、化学物質の流出や火災災害などの高リスク環境での作業や、遠隔操作によるケーブルレスロボットとしての活用、あるいは人工筋肉やヒューマノイド型ロボットアームとしての機能などが挙げられます。
「私たちは、様々な導電性素材を試行し、最適なひずみ検知と無線通信機能を実現する独自の組み合わせを最終的に見出しました」と、シンガポール国立大学化学生体分子工学科の博士課程学生で、本研究の筆頭著者であるYang Haitao氏は述べています。「したがって、私たちの発明は、高度なロボットを製造するための非従来型素材のラインナップを広げるものです」
Chen氏とそのチームは現在、金属製の骨格にさらなる機能を追加することを検討しています。有望な方向性の一つは、電気化学的に活性な素材を組み込んでエネルギー貯蔵デバイスを製造することです。これにより、素材自体が電池として機能し、自己給電型ロボットの開発が可能になります。また、チームは銅などの他の金属の実験も行っており、これにより素材の製造コストを削減できる見込みです。
