Hollow-strut lattice architectures for distributed actuation and sensing in monolithic soft robots

技術要約：モノリシック・ソフトロボットにおける分散駆動およびセンシングのための中空ストラット格子構造

問題提起
ステレオリソグラフィー（SLA）によって製作されるモノリシックなソフトロボットは、単一のプリントされた本体内に構造、駆動、およびセンシングを共存させることを目的としている。しかし、実用的なボトルネックとして、空間的に分散したアクチュエータへの独立した空気圧接続の確立や、特定の構造領域へのセンシングチャネルのルーティングにおいて、通常、ロボットの表面の複数の箇所にチューブやセンシング部品を後 assembly で取り付けなければならないという課題が残っている。設計された格子構造は組み込み型のルーティングのための枠組みを提供するが、従来の流体センシング手法は一般に、一つのセンシングモダリティにつき一つのチャネルを割り当てるため、ポート数とトランスデューサの数がセンシング機能に対して線形に増加してしまう。これまでの格子状の本体において、単一の幾何学的にプログラムされたチャネルを通じて、アクチュエーションと複数のセンシング機能の両方のための分布システムとしてストラットネットワーク自体が機能する、完全な空気圧インフラストラクチャを実証した例はない。

手法
著者らは、格子のストラット全体を中空にする設計および製作戦略を提案しており、これにより足場（スキャフォールド）そのものをプリントされた空気圧チューブへと変換する。この手法は、以下の4つの主要な要素に基づいている：

1. トポロジー認識グラフルーティング： 計算パイプライン（Grasshopper 3Dで実装）が、ロボットの体積をボクセルグリッドに離散化する。パッシブボクセルは、「インターフェース」（アクチュエータに隣接）または「フィル（充填）」のいずれかに分類される。インターフェースボクセルは、アクチュエータのためのユニークなグラフエントリーノードを提供するためにエッジ・オクタヘドロン細胞トポロジーを利用し、フィルボクセルは、プリント性（自己支持角度）とルーティング容量に基づいて、体心立方格子（BCC）または面心立方格子（FCC）トポロジーを使用する。幅優先探索（BFS）アルゴリズムは、格子グラフ上に2つの独立したスルーチャネルパス（駆動用およびセンシング用）を計画する。このアルゴリズムはエッジの再利用を禁止するが、ノードの共有は許可しており、これにより、単一の近位面で終了する独立した流体パスを保証する。
2. 直径プログラムによる感度設定： センシングチャネルの局所的な内径（$d_i$）は、感度のダイヤルとして機能する。内径2.0 mm（壁が厚い）でプリントされたセグメントは、「クワイエット（静穏）」なルーティングとして機能し、変形に対する応答を最小限に抑える。内径2.5 mm（壁が薄い）でプリントされたセグメントは、感度を高めたゾーンとして機能し、曲げと局所的なピンチ（つまみ）の両方に反応する。これにより、センシングおよびコマンドゾーンの配置を、組み立て工程ではなく設計パラメータとして扱うことが可能になる。
3. 振幅ベースのモード分離： 単一のセンシングチャネルは、意図的にレンジを異なる2つの圧力トランスデューサ（高感度センサー ±100 mbar および 広範囲センサー ±1034 mbar）によって両端から読み取られる。緩やかな構造的曲げは、高感度センサーによって検出される小さな圧力変化を生じさせる。鋭い外部からのピンチは、チャネル圧力を高感度センサーの範囲を超えさせ（飽和）、広範囲センサーによって捕捉される大きなトランジェント（過渡現象）を発生させる。これにより、別々の物理的チャネルを必要とせずに、振幅によって変形モードを分離する。
4. 製作および樹脂の排出： システム全体は、Elastic 50A樹脂を用いて単一材料のパーツとしてプリントされる。「スルーチャネル」構造のルーティングにより、一方のポートから他方のポートへイソプロピルアルコールを流して未硬化の樹脂を洗浄することが可能であり、トランスデューサを取り付ける前に内部チャネルをクリアにすることができる。

主な貢献
本論文は、以下の4つの主要な貢献を特定している：

• プリントされたチューブとしての中空格子ストラット： 格子足場を空気圧分布システムとして扱う手法であり、後組み立てによる流体統合の必要性を排除する。
• 直径プログラムによる感度設定： 単一のセンシングチャネルの長さに沿ってその感度プロファイルを定義する技術であり、専用のモダリティごとのルーティングを不要にする。
• 振幅ベースのモード分離： トランスデューサの飽和を利用して、曲げとタクタイル（触覚）ピンチ入力を区別するデュアルレンジ読み取り戦略であり、単一のチャネルから同時センシングを可能にする。
• モノリシックな這行（クロール）ロボット： 内部に流体接続を備えた単一プリントのロボットの実証であり、摩擦ベースの移動、曲げセンシング、およびタクタイル停止コマンドが可能である。

結果
このアーキテクチャは、直線管の特性評価、パッシブおよびアクティブな格子立方体、およびクロールロボットのプロトタイプを通じて検証された：

• 感度特性： 内径2.5 mmの直線管は、押し込みに対して30 mbar/Nの感度を示し、これは2.0 mm（17 mbar/N）および1.5 mm（3 mbar/N）のバリアントよりも有意に高い。2.5 mmのバリアントのみが、最大90°までの曲げに対して有効な応答を生じさせた。
• モード分離： 曲げとピンチが組み合わさったテストにおいて、高感度センサーは緩やかな曲げを解明したが、ピンチ中に飽和した。広範囲センサーはピンチによる大きなトランジェントを捉え、追加のロジックなしに単一のチャネルから曲げと接触イベントを分離できることを確認した。
• 格子検証： パッシブキューブは、マルチチャネルのルーティング容量と独立したセンシングを実証した。アクティブキューブは、単一のセンシングチャネルが、格子が空気圧駆動を受けている間も、曲げと局所的なピンチを同時に検出できることを検証した。また、駆動に起因する圧力変化は、外部のタクタイル入力と区別可能であった。
• クロラーの性能： モノリシックなクロラー（100 × 50 × 50 mm）は、摩擦ベースの歩容により鋸歯状の基板上で前進移動を実現し、平均速度0.95 mm/sで前進した。背側の感度ゾーンは、歩行サイクルに位相ロックされた再現性のある曲げ信号を提供した。コマンドゾーンへのピンチは、高感度センサーを飽和させ、広範囲センサーにトランジェントを引き起こし、タクタイル停止および再開コマンドとして正常に機能した。

意義および主張
著者らは、本研究がモノリシック・ソフトロボティクスにおける、後組み立てによる流体統合を必要とする実用的な制限を解決すると主張している。格子足場をチューブへと変換することで、アクチュエータやセンシングゾーンの数に関わらず、外部インターフェースは単一の近位面にある固定された一連のポートへと削減される。このアプローチは、流体接続層そのものに対してモノリシックな製作戦略を拡張するものである。

論文は、直径プログラムによる感度設定が、センシングゾーンを追加しても追加のポートやトランスデューサを必要としないことから、分散型センシングのスケールアップ方法を変えるものであることを強調している。さらに、デュアルレンジ読み取りは、空気ベースのセンシングの限界（低い信号振幅およびトランスデューサの飽和）を、モード分類のための機能的なメカニズムへと転換する。本研究は、コマンドインターフェース（「ピンチで停止」など）が、組み立て部品としてではなく、設計出力としてロボット本体に直接プリントできることを示している。著者らは、空気ベースのセンシングの環境圧力に対する感度、SLAの解像度による最小ストラット壁厚の制約、および複数のゾーンが同時に変形した場合の単一チャネルによる位置特定における曖昧さについて言及しており、これらを今後の最適化領域として特定している。