要約:
米国のノースカロライナ州立大学の研究チームは最近、新しいタイプのソフト ロボットを開発しました。ロボットは赤外線で照らされると、人間の介入や再調整を必要とせずに連続的にジャンプできます。研究者らは、今回の成果はソフトロボットの新たな自律移動メカニズムを実証し、将来の自動運転ロボットの設計に新たなアイデアを提供するものであるとしている。
このロボットは水滴のような形をしており、研究チームは「リング ジャンパー」と名付けました。バッテリー、モーター、複雑な制御システムを必要とする多くのロボットとは異なり、電力は外部の赤外線のみに依存します。一度点灯すると、ロボットは周期的な動作を実行し続け、前進、ジャンプ、さらには垂直飛行などのさまざまな動作モードを切り替えることができます。
研究者らによると、ロボットの中心原理は、ねじり変形を利用して弾性位置エネルギーを蓄え、臨界点に達したときに即座にエネルギーを放出することです。構造自体に自動回復機能があるため、ジャンプのたびにリセットする必要はなく、初期状態に戻って次のアクションを開始できます。赤外光が存在し続ける限り、プロセス全体を繰り返すことができます。
構造的には、ロボットは主に液晶エラストマー素材で作られたドロップ型のリングで構成されており、その一端は細い V 字型のアルミニウム構造に接続されています。赤外線が材料の表面に当たると、液晶エラストマーが収縮し、構造全体が回転します。
追加の設計がなければ、この構造は通常、その場でスクロールするだけです。しかし、両端に取り付けられたV字型のアルミパーツがそれを妨げ、ベルトにはねじれ変形が蓄積され続けます。ねじり荷重が増加し続けると、材料に蓄えられる弾性位置エネルギーがますます大きくなります。特定の臨界点に達すると、エネルギーが突然放出され、V 字型の構造が急速に下方に飛び出して地面に衝突し、ロボット全体が空中に放出されます。
ジャンプを完了すると、ロボットは元の形態に戻り、エネルギーの蓄積と放出のサイクルを再び開始して、継続的な自律的なジャンプ動作を形成します。
研究チームは、V 字型構造の角度を変えるだけでロボットの動き方が大きく変わる可能性があることを発見しました。夾角が約 120 度の場合は、主に匍匐前進でゆっくりと前進します。夾角が 90 度に縮小すると、ロボットは前方にジャンプします。さらに夾角が約 50 度まで減少すると、ロボットは空中にほぼ垂直にジャンプできるようになります。
研究者らは、これは、駆動原理を変更したり追加の制御システムを追加したりすることなく、単純な幾何学的パラメータを調整するだけで、同じロボットを異なる動作モードに切り替えることができることを意味すると述べた。
研究チームは、夾角の調整に加えて、ロボットの重心の位置も動作パフォーマンスに影響を与えることも発見しました。実験の結果、ドロップ型構造の丸い端に少量のカウンターウェイトを追加することで、ロボットのジャンプ距離が長くなり、前方への軌道がより安定することがわかりました。研究者らはこの現象を、より大きな推進力を得るために泳ぎ始めるときに前傾する水泳選手に例えています。
実験中に、研究チームは赤外線の強度がスポーツのパフォーマンスにとって重要であることも観察しました。光の強度が不十分な場合、ロボットはジャンプを完了するのに十分なエネルギーを蓄積できません。ただし、光の強度が強すぎると、ジャンプのプロセスが不安定になり、方向が予測できなくなる可能性があります。したがって、安定した連続動作を実現するには、光量を適切に制御することが重要な条件となります。
研究者らは、自己リセット可能で動き続けることができ、構造が単純なこの種のソフトロボットは、将来、複雑な環境の探査、狭空間の検査、新たな自己駆動型ソフトロボットの研究などの分野で活用されると期待されていると考えています。複雑な電子制御システムを必要とせず、材料特性と外部光源のみに依存して自律動作を完了できるため、将来の低コスト、軽量ロボット設計に新たな開発の方向性を提供します。
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