3Dニットロボット

Jun 03, 2023

ソフトロボティクスには、剛性のロボットに比べていくつかの重要な利点があります。その中には、空気室の膨張と収縮によって動作する柔らかい素材を備えた固有の安全機能や、壊れやすい環境や人の近くでも安全に使用できます。また、ロボットに適合する柔軟性が含まれます。狭いスペースに。 繊維は、多くのタイプのソフトロボット、特にウェアラブルロボットを構築するための材料として選択されるようになりましたが、従来の「裁断して縫う」製造方法にはまだ改善の余地が多く残されています。

今回、ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院 (SEAS) の研究者らは、ソフト ロボット全体を総合的に「プリント」できる 3D 編み法を使用して、ソフト ロボットを積層造形するための新しいアプローチを確立しました。 彼らの研究は「Advanced Functional Materials」で報告されています。

「ソフトロボット工学コミュニティはまだ、より古典的な剛体ロボットの形状や機能を超えることを可能にする代替材料アプローチを模索している段階にあります」と、この論文の上級責任著者でハリー・ルイスとマーリン・マクグラスのロバート・ウッド氏は言う。 SEAS 工学および応用科学の教授。

「テキスタイルは、その構成繊維の選択と、それらの繊維がどのように相互作用するかによって、その構造特性を根本的に調整できるため、魅力的です」とウッド氏は言う。

「『カットアンドソー』方式を使用すると、布地素材の大きなシートを製造し、それをパターンに切断し、縫い合わせたり接着したりして組み立てる必要があります。これには通常、高度な人間の労働が必要です」と、筆頭著者のヴァネッサ・サンチェス氏は述べています。論文の著者であり、元博士号です。 ウッドの研究室の学生。 「すべての継ぎ目によりコストが増加し、潜在的な障害点が発生します。複雑なロボットデバイスの製造にとって、これは大きな課題となる可能性があります。」

サンチェスは、材料の無駄をほとんどせずにシームレスな衣料品を製造できる 3D ニットの概念に興味をそそられました。 彼女は、この方法を繊維ベースのソフト ロボットの作成に応用できないかと考えました。

チームはビンテージのパンチカード編み機を入手し、サンチェス氏はロードアイランド スクール オブ デザイン、パーソンズ スクール オブ デザイン、ファッション工科大学の編み物専門家とつながりました。

編みプロセスを自動化するために、サンチェス氏とチームは編み機 (多くの場合数十年前の機械) にさまざまな種類の糸から複雑な構造を作るように指示できるソフトウェアを開発する必要もありました。 「ある場合には、ソフトウェア プログラムを使用して、自分のコンピュータをフロッピー ディスクであると機械に思わせる必要がありました」とサンチェス氏は言います。 最初の実験で有望な結果が得られた後、チームはより最新の自動マシンに移行しました。

カーネギーメロンロボット研究所の助教授、ジェームス・マッキャン氏がこのソフトウェアの開発に協力した。 「チームは、幅広いソフト アクチュエータを開発して特性評価したいと考えていました。彼らは 1 つのパターンを構築するだけでなく、パラメトリック パターンのセット全体を構築していました」とマッキャン氏は言います。 「これは、簡単に調整できるパラメトリックな出力ファミリーではなく、単一の出力を手作業で開発することに一般的に重点を置いている従来の編み物デザイン ソフトウェアでは実現が困難です。」

回避策を作成するために、チームは「ニットアウト」ファイル形式 (汎用プログラミング言語で書かれた編み記述) を使用して 3D パターンを記述し、そのニットアウト記述を目的の編み機で実行できるように変換するコードを開発しました。

「ニットアウトのような一般的な編み物形式でパラメトリック パターンを開発することの素晴らしい点は、さまざまな種類の編み機を使用する他のグループが、大規模な翻訳作業を行わずに、同じパターンを使用して構築できることです」とマッキャン氏は言います。

3D 編みプロセスを設定した後、サンチェスと共同研究者は一連の実験を実施し、さまざまな編みパラメータが結果として得られる材料の機械的特性にどのような影響を与えるかに関する広範な知識のライブラリを初めて作成しました。 糸、構造などの 20 種類の異なる組み合わせをテストし、チームはさまざまなニット構造が折り畳みと展開、構造幾何学、および引張特性にどのような影響を与えるかを特徴づけました。

これらの構造の組み合わせを使用して、彼らは、曲げたり掴んだ付属物を備えたさまざまなタイプのグリッパーデバイス、マルチチャンバーの爪、シャクトリムシのようなロボット、物体をたくさん拾うことができるヘビのようなアクチュエータなど、さまざまなニットロボットのプロトタイプを実証しました。デバイス自体よりも重い。

「エンジニアがさまざまなソフト ロボットを開発する際に利用できるライブラリを作成したかったので、さまざまなニットの機械的特性を特徴づけました」とサンチェス氏は言います。 「3D ニッティングは、積層造形に関する新しい考え方であり、再構成または再配置できるものをどのように作るかについての考え方です。この種の製造をサポートする産業用機械はすでに存在します。この最初のステップにより、私たちのアプローチは規模を拡大し、応用できると考えています。」研究室から出た。」

「繊維強化複合材料が高性能の航空機や自動車の製造に影響を与えたのと同じように、プログラム可能なテキスタイルもソフトロボットの製造方法に影響を与えるだろうと私は想像しています」とウッド氏は言う。

この論文の追加著者には、Kausalya Mahadevan、Gabrielle Ohlson、Moritz A. Graule、Michelle C. Yuen、Clark B. Teeple、James C. Weaver、Katia Bertoldi が含まれます。

この研究は、米国科学財団 (助成金番号 EFMA-1830901、DMR-1420570、1955444、および DMR-2138020)、陸軍研究局 (助成金番号 W911NF-22-1-0219)、ハーバード大学 SEAS、 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering、国防科学工学大学院フェローシップ、およびナショナル GEM コンソーシアム フェローシップ。

トピック：ロボット工学

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ハリー・ルイスおよびマーリン・マクグラス工学および応用科学教授

ウィリアム・クアン・ダノフ＆アミ・クアン・ダノフ応用力学教授

ポール・カロフ

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