「先代」を超える、わずか7.8mm！新しいワイヤレス水陸両用折り紙ロボットはひっくり返ったり転がったりできる

ロボットについて考えるとき、私たちの頭に浮かぶイメージは、大した知性もなく、同じ作業を何度も繰り返す巨大な機械だろう。

しかし、そうではありません。

ロボットの世界には、極めて小さい（おそらくナノメートル程度）が非常に柔軟性に富んだマイクロロボットというクラスもあります。液体環境内で自由に移動して物体を拾い上げたり運んだりするなどの作業を実行できるだけでなく、磁場と光によって非常に高速、高精度、機敏に駆動することもできます。

マイクロロボットは、その小型さと多様な機能により、ロボット工学の分野における現在の研究ホットスポットの 1 つとなっています。これらはさまざまなタスクを実行することが期待されており、複数の生物医学的用途の可能性を秘めています。

しかし、既存の折り紙ロボットは、多用途性を実現するために複雑なシステムを必要とし、動作モードが限られているため、陸上と水中で同時に動くことができません。

現在、スタンフォード大学の研究チームは、新しいタイプのワイヤレス水陸両用ミリメートルスケール折り紙ロボットを開発することでこの問題を解決しました。

この水陸両用ロボットは、磁石と折り紙を使って多方向の回転ベースの動きをすることができ、さまざまな環境で移動し、制御された液体薬剤の送達や方向性のある固体貨物の輸送など、さまざまなタスクを実行できると報告されています。

関連の研究論文は、「回転可能なワイヤレス水陸両用折り紙ミリロボット」というタイトルで科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載されました。

（出典：ネイチャーコミュニケーションズ）

研究チームは、この新しいミリメートル規模の折り紙ロボットは将来、生物医学的診断や治療のための低侵襲装置として使用される可能性があると述べた。

小さくてシンプルなほど良い

胃けいれんから頭痛まで、どんな病気でも治るだろうと期待して丸い錠剤を飲んだことがあるなら、ほとんどの薬が特定の場所の痛みや病気を治療するようには作られていないことをご存知でしょう。

近年、市販薬が多くの病気を治してきましたが、科学者たちは心血管疾患や癌などの複雑な病気を正確に治療できる標的薬を送達する方法も研究しており、マイクロロボットはその重要な方向性の1つです。

錠剤を飲み込んだり液体を注射したりするのとは異なり、薬剤送達マイクロロボットは薬剤が標的に到達するまで薬剤を保持し、その後高濃度で放出します。

この研究で開発された新しいミリメートルスケールの折り紙ロボットは、断面の直径がわずか 7.8 mm で、クレスリング折り紙 (三角形で構成された中空の円筒) パターンと取り付けられた磁気ディスクで構成されています。

同時に、クレスリング折り紙の折りたたみ/展開機能を活用することで、新しいミリメートルスケールの折り紙ロボットは、転がる、ひっくり返す、回転するなどの動作を実現できるだけでなく、ポンプで液体の薬剤を送達することもできます。

研究チームはまた、回転運動が貨物の輸送に使用できる吸着メカニズムを提供することも強調した。

下の図に示すように、新しいミリメートル規模の折り紙ロボットは、特定の軌道に沿って移動したり、薬剤を送達したりする機能を備えています。

図｜水中での適応運動

フィギュア｜クライミング

図｜水中での薬液の方向性輸送

さらに、この新しいミリメートル規模の折り紙ロボットは、表面、水面下、粘液で満たされた豚の胃の中で、正常に機能することができます。

図｜水陸両用貨物輸送

図: 粘性液体を含む豚の胃の動き

研究チームは、この研究の画期的な点は、これまでロボットの変形や動きを制御するために折り紙の折りやすさだけを利用していたほとんどの折り紙ベースのロボット設計を超えた点にあると述べた。

研究チームは、折り目によってロボットが特定の動作を実行できるようになる仕組みを研究するだけでなく、折り目の正確な形状の寸法が、折り目が展開されたときのロボットの剛体動作にどのように影響するかについても検討しました。

新しいミリメートルスケールの折り紙ロボットのもう一つのユニークなデザインは、特定の幾何学的特徴の組み合わせです。中央の縦穴と側面の上向きに傾斜した横スリットにより液体抵抗が低減され、ロボットの動きが向上します。

このロボットは、薬を効果的に投与する便利な方法を提供できるだけでなく、器具やカメラを体内に運ぶためにも使用できるため、医師が患者を診察する方法を変えることができると報告されています。

研究チームはまた、臓器を切開することなくロボットの動きを追跡するために超音波画像を利用する研究も行っている。

次の10年を楽しみにしています

ロボット工学は、特に医療分野において、人類がさまざまな大きな課題を克服するのを支援することを目的とした、将来を見据えた分野です。

昨年11月、ハーバード大学医学大学院はレビュー記事で2010年から2020年までの医療ロボット分野における8つの主要な研究テーマを分析し、過去10年間に医療ロボット分野で科学者が成し遂げた多くの刺激的な進歩を検証しました。

8 つの主要な研究テーマは、ロボット腹腔鏡、低侵襲手術用非腹腔鏡ロボット、補助用ウェアラブルロボット、治療リハビリテーションロボット、カプセルロボット、磁気駆動ロボット、ソフトロボット、連続体ロボットです。

図 | 8 つの主要研究テーマの臨床応用例 (出典: Science Robotics)

その中で、磁気駆動ロボット技術はますます成熟し、工学や医学の論文も飛躍的に増加していますが、その発展の動向は、マイクロロボットの臨床応用が急速に発展できるかどうかにある程度依存しています。

1990 年以降に発表された医療ロボットに関する 19,000 件を超える工学論文のうち、既存の市販医療ロボットに適用できると考えられるものはほんの一握りであり、技術的影響度の高い論文であっても特許引用はわずかです。

この現象は、ある程度、技術開発とそれに対応する商業的応用との間の深刻な遅れ、または技術研究と医療機器の商業化の現実との間の不一致が原因である可能性があります。

したがって、ロボット技術を臨床現場に応用するには、広く引用される研究論文を書く以上のことが求められます。代わりに、実際の臨床ニーズを特定し、そのニーズを満たす関連技術を開発する必要があります。

磁気作動の現在の傾向は、先端が磁気で動くカテーテルや内視鏡の研究も原点に戻りつつあり、科学者は人体全体に無害に侵入できる複雑なワイヤー牽引やモーター補助装置よりも小規模で経済的に操作可能な医療機器を製造できるようになっていることを示唆しています。

今後 10 年間で、磁気駆動ロボット技術がより効果的な医療を促進し、商業化と臨床応用が加速する可能性があります。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w

https://news.stanford.edu/press/view/44011

https://mp.weixin.qq.com/s/woC7712grcw1IzHKLF6Pig