たった2時間で7元以下で3Dロボットが作れます

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ロボットの骨格は昆虫と同じくらい柔軟で強靭になれるのでしょうか?この問題は研究者を困惑させてきた。

これまでは、製造工程が複雑で時間がかかりすぎたり、材料や設備が高価すぎたりして、適切な方法が見つからなかったのです。

最近、雑誌「ソフトロボティクス」にこんな研究が紹介されました。主な中核技術は「フレキソスケルトン」（フレキシブルスケルトン）と呼ばれ、研究チームはカリフォルニア大学サンディエゴ校のものです。

この技術は専門家だけでなく初心者でも使用できます。製造プロセスは非常にシンプルで、材料と設備のコストが非常に安いため、大量生産や市場投入に非常に適しています。

これは研究チームも期待していることです。

「世界中の研究者にとってソフトロボットをより簡単に作れるようにしたい」と研究チームの一人であり機械工学教授のニック・グラビッシュ氏は語った。

次に、このロボットがどのようなものなのかを詳しく見てみましょう。

最大の見どころ：「フレキシブルスケルトン」プリント

この研究の最大のハイライトは「フレクソスケルトン」技術です。

これまで、ソフトロボットを作るには、硬いロボットの本体に柔らかい素材を追加するという発想がありました。

今回は、ソフトボディから構築を開始し、その後、主要コンポーネントに剛性機能を追加しました。

この構造は昆虫の外骨格構造にヒントを得たものです。

昆虫の外骨格は、構造的サポート、体の保護、柔軟性、外部表面の感知、把握、付着など、さまざまな機能を果たすことがわかっています。

カマキリなどの節足動物の外骨格も、筋肉から四肢に力を伝達する機械的な伝達装置です。その中で、硬い材料と柔らかい組織が複雑な三次元空間で組み合わされています。

このインスピレーションに基づいて、彼らはハイブリッドな剛性と柔軟性を備えたロボットコンポーネントを開発しました。

この柔軟なスケルトンの印刷は、標準的な熱溶解積層法 (FDM) 3D 印刷方法を使用して行われました。

標準的な消費者向け FDM プリンターでは、ABS や PLA などのプラスチック フィラメントが加熱されたノズルの開口部から押し出され、平らな印刷面上に堆積されます。

さらに、ポリカーボネート (PC)の薄い層が加熱ベッドに接着され、直接印刷されます。

ポリカーボネートを加熱することで、3D 印刷材料と基板の間に非常に強力な接着を実現でき、標準的な消費者向け FDM プリンターで弾性および柔軟性のある構造を印刷できるようになります。

次に、ベッド温度を80℃ ～ 100℃に設定する必要があります。ベッド温度が安定したら、印刷プロセスが始まります。

FDM 印刷における一般的な制御変数は、印刷ノズルと最初の印刷層のベッドの高さの間のZ オフセットです。

最初に堆積された層と PC 層の間の密接な接触を実現し、良好な接着のために十分な接触圧力を生み出すために、0.01 ～ 0.03 mm の比較的小さな Z オフセットを設定しました。

印刷が完了したらベッドを冷却し、PC 層を剥がします。次に、はさみやカミソリなどのツールを使用して、PC レイヤーを手動で構築します。

これは、私たちの研究者も手作業で良い仕事をする必要があることを示しています。 （犬の頭）

しかし、この記事では、将来のフレキシブル ボーンプロセスでは、ビニール カッターまたはレーザー カッターを使用した PC メンブレンの自動事前切断が統合される可能性についても言及しています。

ABS/PLA 印刷材料の PC への接着強度はホットベッド温度と強く相関しており、剥離強度のピークは 90℃ ～ 100℃ の間に現れます。

また、2 つの材料の剥離強度をより直感的に理解するためにデモンストレーションも行いました。

研究者らは、PC フィルムは曲げ弾性が高く、PC ベース層が引張保護層として機能し、このような柔軟な骨部品が疲労や破損を克服できることを発見しました。

このスケルトンを印刷する可能性を検討した後、印刷層の形態特性を調整して曲げ特性を制御する方法を検討しました。

研究者らは、関節の硬さを制御し、関節の動きの制限範囲を研究することから始めて、四肢を収縮させるための屈曲関節1つと、四肢がつま先を持ち上げる伸展関節1つの計2つの屈曲関節で構成された屈曲骨格脚を設計した。

各関節に対して、受動的な関節剛性と関節の屈曲・伸展限界を指定し、屈曲・伸展関節の上と伸展・屈曲関節の下に配置し、1本の腱を使用して両方の関節を作動させました。

アキレス腱が緩むと、足指とアキレス腱の間の非対称摩擦により足が地面に押し付けられ、単一のアキレス腱による足の動きが遅れることになります。

ロボットを作る

骨格がうまく構築されたら、ロボットの作成を開始できます。

このロボットは、フレクソスケルトンから直接印刷された手足とシャーシを使用して組み立てられ、4 つのマイクロサーボによって駆動されます。

次に、各手足はロボットのシャーシ (本体) に挿入され、キャプスタンと腱を介してマイクロサーボ (Tower Pro SG92R) に接続されます。

前肢と後肢の間のねじり屈曲伸展関節の剛性によって、ストロークの方向が変わります。

さらに、このロボットは「プラグアンドプレイ」の義肢設計を採用しており、ロボットの義肢を素早く交換してさまざまな地形に適応させることができます。

研究チームの最終的な目標は、手作業による組み立てなしで柔軟な骨格ロボット全体を印刷できる組み立てラインを作成することです。

これら多数の小型ロボットは、個別に 1 台の大型ロボットの作業、あるいはそれ以上の作業を実行できます。

1989年、iRobot社の共同設立者ロドニー・ブルックス氏は、「今日の基準では極めて小型で、大量生産される単純な自律型ロボット」を含む宇宙ミッションを提案した。

ニック・グラビッシュ氏にとって、この研究はそうした方向への一歩だが、宇宙だけではなくロボット工学の分野全体にとっての一歩である。