機械というより糸のように見えるモーター
スイスのEPFLのエンジニアたちは、糸のように見える柔軟なモーターを開発した。その形状は、「モーター」という言葉が通常思い起こさせるほとんどすべてのものとかけ離れている。チームがFiberMotorと呼ぶこのデバイスは、硬直ではなく柔軟であり、望遠鏡のスライドする部分に似た方法で伸縮する。この設計の意図は、ソフトロボットとウェアラブルデバイスを駆動することであり、これら2つの技術カテゴリーは長い間、その中核に据わる剛直で箱型のドライブによって妨げられてきた。
その売り文句は口にするのは簡単だが、工学するのは難しい。もし作ろうとしている機械が柔らかいなら、それを動かすものは組み立ての中で最も硬い物体であるべきではない。FiberMotorは、柔軟性を従来のハードウェアの周りに後付けで適用するものとして扱うのではなく、アクチュエーターそのものから始めることで、そのギャップを埋めようとする試みである。
ソフトロボットが硬いモーターにぶつかり続ける理由
ソフトロボティクスは何年もかけて、曲がり、伸び、繊細な物体をつかみ、粉々にならずに衝撃を吸収するボディを開発してきた。この分野の材料面は急速に進歩しており、エラストマー、布地、そして金属リンク機構ではできない方法でねじれたり曲がったりできる柔軟な構造が登場している。問題は駆動の瞬間に訪れる。モーター、ギアボックス、それらをつなぐ伝達ラインは通常剛直であり、それらをしなやかなボディにボルトで固定すると機械的なミスマッチが生じる。
そのミスマッチはいくつかの実用的な形で現れる：
- 剛直な部品が、いわゆるソフトなシステムの中で最も重く最も脆い部分となり、機械全体が実際にどれだけ柔軟であり得るかを制限する。
- モーターが据わる関節に重量が集中し、設計者が作れる形状やデバイスが安全に実行できる動きを制約する。
- 硬いハードウェアと柔らかい材料の界面が摩耗点となり、デバイスが最も疲労したり故障したりしやすい場所となる。
- かさばりが、ソフトロボットが生物の肢をどれだけ忠実に模倣できるかを制限する。生物の肢は通常、単一の高密度ドライブではなく分散した筋肉を持つ。
それ自体が柔軟で糸のようなモーターは、そのミスマッチを根源から解決する。剛直なブロックを中心に設計する代わりに、エンジニアは腱やケーブルのように配線し、曲げ、しなやかな構造に統合できるアクチュエーターで作業することになる。
望遠鏡の挙動を平易な言葉で説明する
研究者たちが引き合いに出す比較は望遠鏡であり、その類推はデバイスがどのように長さを変えるかについてである。望遠鏡は入れ子になったセグメントを互いにスライドさせることで伸び、その全長の単一の剛体を得ることなく到達距離を稼ぐ。FiberMotorは同様の方法でスライドすると説明されており、従来のシャフトやローターに頼るのではなく、コンパクトで柔軟な形態から外側へテレスコープ状に伸びることができる機構を示唆している。
これは動作設計にとって重要である。テレスコープ状の伸長は、アクチュエーター自体がしなやかなままで、ソフトなシステムが軸に沿って到達し、押し、または伸びる方法を与える。狭い空間に伸びる必要があるロボットや、動く身体の輪郭に沿わなければならないウェアラブルデバイスにとって、硬い背骨を課すことなく要求に応じて長さを変えるアクチュエーターは、剛直なリードスクリューと組み合わせたモーターとは意味のあるほど異なる構成要素である。
ウェアラブルがこの賭けの後半である
ウェアラブル技術には並行する問題がある。身体に装着するデバイスは、快適さ、重量、自然な動きをどれだけ妨げないかで評価されるが、動力付きの支援ウェアラブルは伝統的に、腰、膝、背中に目立つように据わる剛直なフレームとモーターで作られてきた。対照的に、衣服に近いロボティクスは、圧力点や硬い縁を作ることなく布地に織り込んだり肢に沿って配置したりできるドライブを必要とするだろう。
糸のようなモーターは概念的にその要件に合致する。繊維製造はすでに柔軟で細長い材料を大規模に扱っているため、フィラメントのような形のアクチュエーターは少なくとも衣服の作り方と両立する。FiberMotorをソフトロボットで有用にするのと同じ特性——柔軟性、薄型プロファイル、自身の長さに沿って伸びる能力——は、ウェアラブルドライブが必要とする特性である。
まだ確立されていないこと
初期段階のデバイス発表は工学的な疑問を未解決のまま残す。EPFLのFiberMotorは、糸に似た柔軟なモーターであり、ソフトロボティクスとウェアラブル向けにテレスコープ状に伸びると提示されているが、見出しの説明は、そのようなモーターがどれだけの力を生み出せるか、エネルギーをどれだけ効率的に動きに変換するか、柔軟な要素が劣化する前に何サイクル耐えられるか、実際のシステムでどのように動力供給され制御されるかを確定していない。
これらは、巧妙なアクチュエーターが実用的な部品になるかどうかを決める数値である。ソフトアクチュエーターはしばしば、柔軟性と引き換えに力密度と精度を犠牲にする。FiberMotorにとって興味深い問いは、そのトレードオフのどこに位置するかである。例えば関節を支援するウェアラブルは、意味を持つだけの力を必要とし、壊れやすい物体を操作するソフトロボットは精密な制御を必要とする。テレスコープ状の糸のようなモーターが有用なレベルでどちらかを提供できるかが、次に注目すべき点である。
アクチュエーター研究における見慣れたパターン
FiberMotorは、駆動する構造の柔らかさにアクチュエーションを一致させようとする、より広範な動きの中に位置する。ヨーロッパ、アジア、北アメリカの研究グループが、人工筋肉、ケーブル駆動の腱、空気圧チャンバー、静電アクチュエーターを実験してきた。いずれも異なる角度から同じ目標を追求している。すなわち、柔軟なハードウェアで柔軟な機械を動かすことである。EPFLの貢献は、そのメニューに繊維形状のテレスコープ状オプションを加える。
新しいアクチュエーターカテゴリーの価値は、既存のモーターを完全に置き換えることにあることはまれである。それは設計空間を開くことにある。もしモーターが糸のように薄く柔軟であり得るなら、ロボットの肢、エクソスーツ、ウェアラブル補助具はもはや関節の剛直なドライブを中心に組織される必要はない。それらは分散され、繊維と両立するアクチュエーションを中心に——生物の筋肉が配置されている方法にはるかに近く——組織できる。
今のところ、FiberMotorは実証済みの製品というよりも有望な形状である。糸はスライドし、望遠鏡は伸び、挙げられている応用はソフトロボットとウェアラブルである。今後の作業は華やかでない部分である。耐久性、出力、制御を測定し、その後、実際の機械の中でデバイスが信頼性をもって動作することを示すことである。
この記事はInteresting Engineeringの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on interestingengineering.com