A Multi-Vine Soft Robot Enabling Accessible Working Channel and Steering

技術要約：アクセス可能なワーキングチャネルとステアリングを可能にするマルチバイン・ソフトロボット

問題提起
ソフトエバージョンロボット、いわゆる「バインロボット（蔓状ロボット）」は、先端成長（tip-growth）を通じて摩擦を最小限に抑えながら成長できるため、ヒトの結腸のような複雑で狭い環境におけるナビゲーションにおいて大きな可能性を秘めている。しかし、そのナビゲーション性能は環境との相互作用に大きく依存しており、急激な方向転換は受動的な成長能力をしばしば超えてしまうため、能動的なステアリング機構が必要となる。さらに、ペイロード（積載物）の搬送を必要とする既存のアプリケーション（例：マイクロサージェリー用具）は、現在の設計では制限に直面している。ワーキングチャネルをバインの本体内に組み込もうとするこれまでの試みは、ツールのサイズを制約し、摩擦を導入し、環境へのアクセスをロボットの先端のみに厳格に制限してしまう。したがって、ステアリングを能動化し、かつ、バインの成長構造の中にチャネルを埋め込むことなくツールの搬送を容易にするシステムが求められている。

手法
著者らは、2つのバインロボットをソフトマウンティングチップを介して外部統合されたワーキングチャネルに結合させた、マルチバイン・アーキテクチャを提案する。本システムは、低密度ポリエチレン（LDPE）シート（厚さ0.06 mm）を用いて製作され、超音波溶着によって矩形チューブへと成形される。このチューブは加圧により直径10 mmおよび20 mmまで拡張する。ワーキングチャネルは外径6 mmのシリコンチューブであり、外部に固定されている。また、ソフトファブリックキャップが2つのバインとチャネルを連結している。

制御戦略は、2つのバインの独立した駆動に基づいている：

• 直進成長： 両方のバインを同じ圧力で膨張させ、ワーキングチャネルが自由に前進できるようにする。
• ステアリング： 旋回（例：左折）を行うために、右側のバインを加圧し、同時にワーキングチャネルをロックする。この非対称な駆動が構造的な座屈（バクリング）を誘発し、急激な方向転換をもたらす。逆方向の旋回にはプロセスを反転させる。
• 成長制御： システムの成長速度を調節し、ソフトキャップが意図した位置に留まるようにするために、ワーキングチャネルの前進速度を手動で制御する。

主な貢献

• マルチバイン・アーキテクチャ： 外部統合されたワーキングチャネルに2つのバインを結合させたデュアルバイン・システムを導入し、ステアリング機構とペイロード搬送経路をデカップリング（分離）した。
• 外部ワーキングチャネル： バインの本体内にチャネルを埋め込むことなく、基部から先端まで続くワーキングチャネルを維持する設計により、摩擦とツールサイズの制約を軽減した。
• 能動的ステアリング機構： 非対称な加圧を利用して座屈を誘発する手法を用い、成長中の鋭いターン（ほぼ90度）を可能にした。

結果
実験的な特性評価により、ソフトキャップの追加が成長圧力の要求量に顕著な変化を与えないことが示された。より小さな直径のバイン（10 mm）は、摩擦が増加するため高い成長圧力を必要としたが、これらの圧力は破裂圧力を十分に下回っており、十分な安全マージンがあることが示された。

• 開放環境： マルチバイン・システムは、前方への成長および制御された旋回に成功し、パイプの開口部を正確に特定して進入した。
• 閉鎖環境： 現実的な寸法を持つシリコン製の結腸ファントムにおいて、10 mm径のシステムは、ワーキングチャネルを搬送しながら90度の曲がり角をナビゲートすることに成功した。これは、ファントムの材質が実際の結腸よりも滑りにくく、摩擦が増加している状況下でも達成された。

意義および主張
本論文は、このアーキテクチャが、開放環境および閉鎖環境の両方においてエバージョンロボットのナビゲーション性能を大幅に向上させると主張している。外部統合されたワーキングチャネルを維持することで、本システムは、より制限の少ないツール搬送を可能にし、既存の設計における主要な課題を解決している。著者らは、マルチバイン・ロボットが結腸ファントムを通過するのに十分な操縦性を備えていることを述べており、これは、単一のより小さなバインが壁面接触力に依存することで不快感を引き起こす可能性があるシナリオに対する潜在的な解決策を提示している。本研究は、多用途な医療および非医療用途に向けたこのアーキテクチャの可能性を強調しており、今後の課題として、ステアリング性能の向上を定量的に特性化すること、および、ロボットの先端だけでなく全長にわたってツールへのアクセスを可能にするワーキングチャネルの開発を挙げている。