カメレオンの舌に着想を得た一瞬で昆虫を捕獲する高速動作ロボット

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 (Chameleon’s tongue strike inspires fast-acting robots that catch live insects in the blink of an eye)

2019/10/29 アメリカ合衆国・パデュー大学

・ パデュー大学が、蓄積した弾性エネルギーを利用して高エネルギー・高速モーションを再現する、生物の筋肉に着想を得た新種類のソフトアクチュエーターを開発。
・ 同アクチュエーターは、圧力で膨張する空気チャネルを備えた、ゴムの様なストレッチャブルなポリマー製。
・ カメレオンの舌の様な高速大振幅運動性能を備えたロボットが開発できれば、多様な自動化タスクがより正確かつ迅速に実行可能と考える。硬く重い部品で構成される従来のロボットで、惰性の働きによりその挙動が遅くなる課題の解決を目指す。
・ 生きた昆虫を一瞬で捕食するカメレオンの舌の仕組みをヒントにしたポリマー製の同ソフトアクチュエーターは、その製造の過程で一方向または多方向に全体を伸ばすことで弾性エネルギーを蓄積。同アクチュエーターは、自身の 5 倍の長さに拡張して生きた昆虫を捕獲し、僅か 120 秒で取り込む。
・ また、眠っていても樹上から落下しない鳥の後肢の腱に蓄積した弾性エネルギーの仕組みを利用したロボティックグリッパーを作製。自身の体重の 100 倍の重量の物体をゼロパワーで把持して最大 116°の角度まで逆さまに保持する。同グリッパーソフトアームの物体への順応性が接触面積を最大化して把持を強化し、高速捕獲とゼロパワー保持を実現。同グリッパーは、毎秒 10mm で動くボールを僅か 65 ミリ秒でキャッチする。
・ さらに、植物のハエトリグサの二枚の葉が獲物を高速で捕獲する働きに倣い、弾性エネルギーによる「トラップメカニズム」を利用した、短時間の加圧刺激で僅か 50 ミリ秒で物体を閉じ込めるソフトロボットも作製した。
・ これらのソフトロボットは、既存のソフトロボティックシステムに比べ、大型で多様な物体の高速捕獲、把持、操作に優れる。ロボットのソフトスキンを微細な突起状のアンチスリップパターン処理し、牽引力を大幅に向上。
・ 今回の同ソフトアクチュエーターの設計と製造手法が、既存のロボットでは不可能な速度と挙動を実現する弾性エネルギーを活用した次世代ソフトロボット開発につながることを期待。
・ Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization を通じて同ソフトロボットの発明・設計に関連する技術について特許を取得した。
URL: https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q4/chameleons-tongue-strike-inspiresfast-acting-robots-that-catch-live-insects-in-the-blink-of-an-eye.html

(関連情報)
Advanced Functional Materials 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Elastic Energy Storage Enables Rapid and Programmable Actuation in Soft Machines
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Storage of elastic energy is key to increasing the efficiency, speed, and power output of many biological systems. This paper describes a simple design strategy for the rapid fabrication of prestressed soft actuators (PSAs), exploiting elastic energy storage to enhance the capabilities of soft robots. The elastic energy that PSAs store in their prestressed elastomeric layer enables the fabrication of grippers capable of zero‐power holding up to 100 times their weight and perching upside down from angles of up to 116°. The direction and magnitude of the force used to prestress the elastomeric layer can be controlled not only to define the final shape of the PSA but also to program its actuation sequence. Additionally, the release of the elastic energy stored by PSAs causes their high‐speed recovery (≈50 ms), which significantly improves the actuation rates of soft pneumatic actuators, especially after motions requiring large deformations. Moreover, judicious prestressing of PSAs can also create bistable soft robotic systems, which use their stored elastic energy as a source of power amplification for rapid movements. These strategies serve as a basis for a new class of entirely soft robots capable of recreating bioinspired high‐powered and high‐speed motions using stored elastic energy.

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