筋肉は、制御された力を生成するための非常に効率的なシステムであり、ロボットや義肢用のハードウェアを開発するエンジニアは、力、迅速な応答、拡張性、および制御の独自の組み合わせに近づけることができる類似物を作成するのに長い間苦労してきました。しかし今回、MITのメディアラボとイタリアのバーリ工科大学の研究者らは、これらの特性の多くにほぼ一致する人工筋繊維を開発した。
結合して生体筋肉を形成する繊維と同様に、これらの繊維は、特定のタスクの要求を満たすためにさまざまな構成に配置できます。従来のロボット オペレーティング システムとは異なり、人体と快適にインターフェイスするのに十分な互換性があり、モーター、外部ポンプ、その他のかさばるサポート ハードウェアなしで静かに動作します。
新しい電気流体ファイバー マッスル (ファイバー形式に組み込まれた電気駆動アクチュエーター) については、最近の論文で説明されています。 ロボット科学。この研究は、メディア ラボの博士号候補者オズグン キリック アフサーが主導しています。ヴィト・カッチョロ、バーリ工科大学教授。と4人の共著者。
新しいシステムは 2 つのテクノロジーを統合しているとアフサー氏は説明します。 1 つはマッキベン薄型アクチュエータとして知られる流体駆動の人工筋肉で、もう 1 つは電気流体力学 (EHD) に基づいた小型固体ポンプで、可動部品や外部流体供給を必要とせずに密閉された流体室内に圧力を生成できます。
アフサー氏によると、これまでほとんどの流体駆動ソフトアクチュエータは「重く、扱いにくく、しばしば騒音の多い」油圧インフラに依存しており、「機動性やコンパクトで軽量な設計が重要なシステムにソフトアクチュエータを統合することが困難だった」という。これは、実際のアプリケーションで流体アクチュエータを実際に使用する際に大きなボトルネックとなっています。
ボトルネックを打破する鍵は、電気流体力学の原理に基づいた統合ポンプの使用でした。ミリメートルスケールの電動ポンプは、誘電性流体に電荷を注入することで圧力と流れを生成し、流体を引きずるイオンを生成します。重さはわずか数グラムで、厚さも爪楊枝ほどではないため、連続生産が可能で、調整も簡単です。 「私たちはこれらのファイバーポンプを閉液体回路内でマッキベンの薄型アクチュエーターと組み合わせました」とアフサー氏は述べ、2つのコンポーネントの異なるダイナミクスを考慮すると、これは簡単な作業ではないと指摘しました。
重要な設計戦略は、これらの繊維をいわゆる拮抗構成でペアにすることでした。カクチョル氏は、腕を曲げると上腕二頭筋が収縮し、上腕三頭筋が伸びるように、ここでは「一方の筋肉が収縮し、もう一方の筋肉が伸びる」と説明しています。彼らのシステムでは、同様にスケールされた 2 つのマッキベン アクチュエータの間にミリメートルスケールのファイバー ポンプが配置され、一方のアクチュエータに流体を注入して収縮させ、同時にもう一方のアクチュエータを弛緩させます。
「これは、生物学的な筋肉が定義され、組織化される方法を非常に彷彿とさせます」とアフサー氏は言います。 「生体模倣のためだけにこの構成を選択したのではなく、筋肉の設計内に流体を蓄える方法が必要だったからです。」大気に開放された外部リザーバーの必要性は、実験室外のロボット システムでの EHD ポンプの実用化を制限する主な要因の 1 つでした。 2 本の McKibben ファイバを一列に接続し、その間にファイバ ポンプを配置して閉回路を作成することで、チームはこの必要性を完全に排除しました。
もう 1 つの重要な発見は、筋繊維を単に埋めるのではなく、事前に圧縮する必要があることです。アフサー氏は、「システムが許容できる最小システム内部圧力があり、それを下回るとポンプが故障したり、一時的に動作を停止したりする可能性があります」と述べています。これはキャビテーションによって発生します。キャビテーションでは、ポンプ入口の圧力が液体の蒸気圧を下回ったときに蒸気の泡が形成され、最終的には絶縁破壊につながります。
キャビテーションを防ぐために、ファイバーポンプ入口の圧力が液体の蒸気圧を下回らないように、最初から「バイアス」圧力を加えました。このバイアス圧力の大きさは、用途に応じて調整できます。 「筋肉が生成できる最大の収縮を達成するには、最適な特定のバイアス圧力範囲があることがわかりました」と彼女は言います。 「システムをより高速な応答に設定したい場合は、最大収縮がいくらか減少するとしても、バイアス圧力を増やすことができます。」
カクッチョーロ氏は、今日のロボットの手足や手のほとんどは電気サーボモーターを中心に構築されており、その構成は自然の筋肉の構成とは根本的に異なると付け加えた。サーボモーターはシャフト上に回転運動を生成し、これを直線運動に変換する必要がありますが、電気流体ファイバーと同様に、筋繊維は直線的に収縮および伸長します。
「ほとんどのロボット アームや人型ロボットは、それらを駆動するサーボ モーターを中心に設計されています」と彼は言います。 「これにより統合上の制約が生じます。サーボモーターは高密度に実装することが難しく、サーボモーターが駆動する関節付近に質量が集中する傾向があるためです。一方、繊維の形をした人工筋肉は、ロボットや外骨格の内部にしっかりと実装でき、関節付近に集中するのではなく、構造全体に分散させることができます。」
これらの電気流体筋肉は、人がより重い荷物を持ち上げるのを助ける外骨格や、器用さを回復または向上させる補助装置などのウェアラブル用途に特に有用である可能性があります。しかし、基本原則はより広範囲に適用することもできます。 「私たちの発見は流体駆動ロボットシステム全般に及びます」とカクッチョロ氏は言う。 「流体アクチュエータが使用される場合、またはエンジニアが外部ポンプを内部ポンプに置き換えたい場合はどこでも、これらの設計原則はさまざまな流体動力ロボット システムに適用できます。」
この研究は「ファイバー形式でのソフトアクチュエーションに大きな進歩をもたらし」、「特に可搬性と電力密度に関して、この分野での長年の障害に対処する」と、この研究には関与していないスイスのエコール・ポリテクニック・フェデラル・ドゥ・ローザンヌのソフト・トランスデューサー研究室のハーバート・シア教授は述べている。 「ポンプ内に可動部品がないため、これらの筋肉が静かになり、人工装具や補助衣料にとって大きな利点となります」と彼は言います。
シア氏はさらに、「この高品質で厳密な研究は、基本的な流体力学と実用的なロボット応用の間のギャップを埋めるものである。著者らは、個々のコンポーネントの特性を明らかにし、予測物理モデルを開発し、さまざまなモデルを通じてそれを検証するという、システムレベルでの完全なソリューションを提供する。」と付け加えた。
チームには、アフサル氏とカクッチョロ氏に加えて、バーリ工科大学のガブリエラ・プピッロ氏とジェンナーロ・ヴィトゥッチ氏、MITメディアラボのウェディアン・ババテイン氏と石井博教授も含まれていた。この研究は、欧州研究評議会とメディア ラボの複数資金によるコンソーシアムによって支援されました。
