Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion

ソフトロボットは、硬い金属や歯車ではなく、曲がったり、伸びたり、へこんだりする素材で作られた機械です。この柔軟性により、スマートシャツや医療用装具のように、人体に装着するのに適しており、触れても安全です。しかし、この柔らかさこそが彼らの最大の弱点でもあります。非常にしなやかであるため、重い物体を運んだり、強い力に抗ったりしようとすると、崩れてしまうのです。何十年もの間、エンジニアたちは難しい選択を迫られてきました。柔らかくて安全なロボットを作るか、あるいは重いものを持ち上げるのに十分な強さを持つロボットを作るか、両方を同時に実現することは滅多にありませんでした。

ある研究チームは、人類の最も古い技術の一つである「編み物（ウィービング）」に着目することで、この溝を埋める方法を見つけ出しました。籠作りにおいて、柔軟な葦を編み交差させて軽くて丈夫な容器を作るのと同様に、科学者たちは薄い素材の帯を三次元的な形状へと編み込み、動くことができ、重さを運び、かつ押しつぶされる圧力にも耐えられる構造を作り上げました。熱を加えると縮む特殊なワイヤーをこれらの編み構造の中に埋め込むことで、彼らは、歩行や操舵ができるほど柔らかく、かつ自分自身の重さよりもはるかに重い荷重を支えられるほど硬い、新しい種類のロボットを作り出したのです。

研究者たちはまず、「編み込まれたコーナー（woven corner）」と呼ぶ、単一の基礎的な構成要素を作成することから始めました。3組の細くて平らなリボンを取り、バスケットの角のように直角に交差させてコーナー状の形を作る様子を想像してください。このコーナーを動かすために、彼らは特殊な合金で作られたコイル状のワイヤーを構造の中に通しました。これらのワイヤーは、電流によって加熱されると収縮（短縮）するように設計されています。研究者が微弱な電流を流すと、ワイヤーが熱を持って縮み、編み込まれたコーナーを新しい形状へと引き寄せます。電流を止めるとワイヤーが冷却され、コーナーは元の形へと戻ります。

ワイヤーを注意深く配置することで、チームはこのコーナーを「歩かせる」ことができることを発見しました。片側のワイヤーが加熱されると、コーナーは後ろ脚が前方に滑り込み、前脚が地面に固定されるような形で折れ曲がります。ワイヤーが冷却されると、前脚が前方に滑り込み、後ろ脚が地面を保持します。この加熱と冷却のサイクルを繰り返すことで、コーナーは一歩ずつ前進します。また、研究者たちは、一方のワザイヤーのみを加熱することで、移動しながら構造を回転させ、コーナーを操舵できることも示しました。この単純なユニットは、編み込まれた構造が、動くための柔軟性と、重さを支えるための強さの両方を備えられることを証明しました。

このコンセプトを大規模化できることを証明するため、チームはこれらの編み込まれたコーナーを組み立て、より複雑なロボットへと発展させました。体全体を収縮・膨張させることで移動する立方体や、脚を曲げることで歩行する二脚、三脚、四脚のクリーチャーを製作しました。これらのロボットはすべて、同じ編み素材と、同じ熱収縮ワイヤーを使用して作られています。その結果は驚くべきものでした。10グラムの編み込まれたコーナーが自重の25倍の荷重を運べた一方で、より広範な一連の編み込みロボットたちは、前進しながら自重の最大70倍もの荷重を運ぶ能力を示しました。例えば、わずか10グラムのロボットが、小さなリンゴほどの重さである250グラムの荷重を、歩行能力を損なうことなく運ぶことができたのです。

おそらく最も驚くべき発見は、これらのロボットがいかに極端な虐待（過酷な負荷）に耐えうるかという点でした。研究者たちは、編み込まれたコーナーに対して、自重の1300倍もの圧力をかけて押しつぶす実験を行いました。それらは完全に平らに潰れてしまいました。しかし、壊れたり潰れたままになったりするのではなく、ロボットは跳ね返って戻ってきました。編み込まれたリボンは衝撃を吸収するように曲がり、屈曲したことで、永久に変形することなく衝撃を分散させました。また、引き伸ばされ、ねじ曲げられた金属ワイヤーも、圧力が解放されると元の形状に戻りました。押しつぶされ、平らにされるプロセスを何度も繰り返した後でも、ロボットは以前と全く同じ経路を歩き続け、性能の低下は見られませんでした。

この回復力の秘密は、編み目の設計自体にあります。圧力の下で割れてしまうような固形ブロックとは異なり、編み込まれた構造は、個々のストランド（糸）が局所的に曲がったり屈曲したりすることを許容し、力を形状全体に分散させます。これは、編まれた籠を平らに押しつぶしても元の形に戻る一方で、固形のプラスチック製のコップは割れたり凹んだりしたままになるのと似ています。研究者たちはコンピュータモデルを用いて構造の動きを正確に理解し、この編み目が「真っ直ぐに引かれたときは自然に硬く、横方向に曲げられたときは柔軟である」という性質を持っていることを見出しました。このユニークな特性により、効率的な動きのために曲がりが生じる場所に移動ワイヤーを配置しつつ、重い荷重を支えるのに十分な硬さを維持することが可能になったのです。

この研究は、編み物が単に布を作るための手法ではなく、機械を作るための強力なエンジニアリング戦略であることを示しています。古代の編み技術と現代の能動的素材を組み合わせることで、研究者たちは柔らかく、強く、そして驚くほどタフな、新しいクラスのロボットを生み出しました。これらの機械は、将来、人々が重い物を持ち上げるのを助けるウェアラブル外骨格（エクソスケルトン）や、瓦礫の中を這い進み、物資を運ぶことができる救助ロボットとして活躍するかもしれません。この研究は、三次元的に思考し、編み構造の自然な特性を利用することで、エンジニアが「実用的な仕事ができるほど強いソフトロボットを作る」という長年の課題を解決できることを示しています。