Flexible transmission via permeability variation: a universal approach for soft actuators

ゼリーのような素材でできた、非常に柔らかく、ぷにぷにとしたロボットを想像してみてください。これらの「ソフトアクチュエータ」は、硬い金属製のロボットにはできないような、奇妙で不規則な曲がり方、伸び方、揺れ方をすることができる素晴らしいものです。しかし、問題があります。これらはしばしば、重いものを持ち上げるには弱すぎるのです。通常のロボットの世界では、弱いモーターを補うために「ギアボックス（変速機）」――速度を強さに変換する歯車の箱――を追加します。しかし、このギアボックスを柔らかいゼリーのようなロボットにボルトで固定することはできません。それでは柔らかさが台無しになり、場所も取ってしまうからです。

ここで、ハルビン工程大学とハルビン工業大学の研究者たちが登場します。彼らは、ソフトロボットのための賢い「目に見えないギアボックス」である「透磁率制御型磁気伝達（PTMT）」を考案しました。

目に見えないギアボックス

標準的なギアボックスを、力を伝えるための歯車同士の機械的な握手だと考えてください。PTMTは、触れることなく力を伝える「磁気によるハイタッチ」のようなものです。

ここには魔法のトリックがあります。このシステムは、2つの強力な永久磁石（「ボス」と呼びましょう）と、1つの柔らかい鉄の破片（「ヘルパー」）を使用します。

1. 入力： あなたのソフトロボット（膨らむ空気袋や伸縮する膜など）が、「ヘルパー」である鉄の破片をほんの少しだけ押します。
2. 魔法： このわずかな押しによって、磁力線が空間をどれほど通りやすいか（科学者はこれを「透磁率」の変化と呼びます）が変わります。これは、磁場の中に金属片を滑り込ませて、磁場の形を変えるようなものです。
3. 出力： 磁場が変化したため、「ボス」である磁石は突然、より強い押しや引きを感じます。ソフトロボットによるわずかな動きが、磁石による強力な突き押しへと変わるのです。

この論文は、このセットアップがソフトロボットのための「ユニバーサルな翻訳機」として機能し、不規則でゆらゆらとした動きを、かさばるギアを必要とせずに、強く有用な力へと変換できることを示唆しています。

3つのテスト走行

チームはただ夢を見ただけでなく、異なる種類のソフトロボットに対してどのように機能するかを確認するために、3つの異なる方法で構築し、テストを行いました。

1. 伸縮する膜（誘電エラストマー）
彼らは、電気を流すと膨張する伸縮性のあるプラスチック膜に、この磁気システムを取り付けました。

• 結果： 膜がわずか 0.4 mm 伸びただけで、磁気システムが力を増幅させました。出力される力は、膜が単独で出せる力の 169% になりました。
• ボーナス： 磁気システムが助けてくれるおかげで、ロボットは必要な電力量を抑えることができました。特定の負荷において、電力需要は以前の 75.7% まで低下しました。これは、同じエネルギー量でより大きなパンチを得るようなものです。

2. 空気袋（空気圧アクチュエータ）
次に、彼らは空気を吹き込むと曲がる、古典的な空気駆動ロボットでテストを行いました。

• 結果： こちらはさらに強力でした。磁気システムは力を 224% ブーストしました。ロボットが動けなくなる「失速（ストール）」状態においても、空気単体よりも 246% も強い力で押し続けることができました。
• 速度： 速度も向上しました。磁気版はわずか 0.4秒 で最大曲がり角の 63% に達しましたが、磁気なしのバージョンは 33.9% にしか達しませんでした。

3. 曲がる関節（ケーブル駆動）
最後に、指のように曲がる関節で試しました。

• 結果： これは単なる強さの問題ではなく、「剛性（硬さ）」の問題でした。磁石を調整することで、関節の感触を意図的に「柔らかく」したり「硬く」したりすることができました。
• すごい点： 彼らは「双安定（ビステーブル）」な関節を作り出すことに成功しました。これは、関節が2つの安定した位置（照明のスイッチの「オン」と「オフ」のように、カチッと決まる位置）を持つことを意味します。電力を使い続けることなく、これらの状態の間でパチンと切り替えることができます。これは従来の材料では非常に困難なことです。

これが「何ではない」のか（そして、まだ分かっていないこと）

この論文が「言っていないこと」を知っておくことが重要です。

• 魔法のギアではない： 論文では、ソフトロボットに対して伝統的な機械的ギア（歯車やリンク機構など）を使用することに対して明確に反対しています。それらは不規則で柔らかい動きには適していません。
• まだ完璧な解決策ではない： 著者らは、これはあくまで「コンセプト」であり「手法」であると注意深く述べています。シミュレーションと実験の結果は素晴らしいものですが、依然として限界はあります。
  • 摩擦： システムは磁力が完璧に作用することを前提としていますが、現実の世界では、磁石を保持しているゴム製のフレームが摩擦を生み出し、増幅された力の一部を削り取ってしまいます。
    として、磁場は急速に弱まります。1つのユニットで動かせる距離は短いです。ロボットを遠くまで動かすには、これらのユニットを鎖のように連結する必要があるかもしれません。
  • トレードオフ： 本物のギアボックスと同様に、大きな力を得られれば、動きの距離は失われます。論文では、高い力増幅率を得るためには、出力される動きは入力される動きよりも小さくなければならないと指摘しています。これは、タダで手に入るものではなく、トレードオフなのです。

未来のアイデア：錆びる魔法？

論文はまた、将来に向けた大胆で実験的なアイデアも提案しています。鉄の破片を物理的に動かす代わりに、化学反応を使って鉄の特性を変えることはできないでしょうか？彼らは、電気を使って銅フォームの上に鉄を成長させたり溶かしたりする方法をテストしました。

• 実験： 彼らは、小さな物体を 5度 回転させるのに、約 40秒 で十分な量の鉄を成長させることに成功しました。
• 現状： これはあくまで「検証実験」です。これはアイデアが可能であることを証明していますが、論文はこれがロボット工場にすぐに導入できるレベルであるとは主張していません。これは、いつの日かモーターの代わりに化学反応によって磁力を制御できるかもしれない、という示唆です。

まとめ

この論文は、磁場を使用して磁力の流れを「調整（チューニング）」することで、ソフトロボットのためのユニバーサルで目に見えない伝達システムを構築できることを提案しています。これにより、ソフトロボットはより強く、よりエネルギー効率が高くなり、自らの剛性を変えることも可能になると示唆しています。実験では、場合によっては力を2.5倍近くまで高めるなど、ラボ内での有効性が示されましたが、著者らは、現実世界の摩擦や距離の制限があるため、これらのロボットがあなたのリビングルームにやってくるまでには、まだやるべきことが残っていると念を押しています。