重さわずか1.1グラム、中国製最速ソフトジャンプロボット！

ジャンプはロボットにとって非常に重要な能力であり、これによりロボットは活動範囲を広げ、障害物を克服し、多くの非構造化環境に適応するなどできるようになります。

連続ジャンプと方向調整機能は、マルチモーダル移動機能を備えた地上ロボットの重要な特性です。しかし、現在のところ、障害物を横断するために急速かつ連続的なジャンプと制御されたステアリング動作を実現できるソフトジャンプロボットはごくわずかです。

現在、中国の研究チームは、柔らかい静電曲げアクチュエータをベースにした、静電駆動式の脚のない柔らかいジャンプロボットを提案している。このロボットの重さはわずか1.1グラム、長さは6.5センチ、厚さは0.85ミリです。体長の7.68倍のジャンプの高さと、1秒あたり体長の6.01倍の連続前進速度を達成できます。 2つのアクチュエータユニットを組み合わせることで、毎秒138.4°の回転速度を実現できます。

関連する論文は科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載されました。論文の主な著者は重慶大学、ハルビン工業大学、上海大学、北京航空航天大学などです。

研究者らは、環境の変化の検出など、さまざまな用途を可能にするために、他の機能的な電子デバイス（センサーなど）もアクチュエータに統合しました。また、ソフトロボットのジャンプ性能を向上させるために、将来的に構造の最適化を行う必要があることも示唆した。テザーレスソリューションに関するさらなる研究により、このタイプのソフトロボットの汎用性が向上する可能性があります。

革新的な電気油圧式静的駆動

ソフトジャンプロボットの障害物乗り越え能力を向上させるために、ソフトジャンプロボットの単一ジャンプ性能（ジャンプ高さ JH とジャンプ距離 JD）を向上させることと、ナビゲーション効率を向上させるためにジャンプ頻度を増やすことは、ソフトジャンプロボットが直面している 2 つの主要なエンジニアリング課題です。

現在、業界では前進可能な柔らかいまたは部分的に柔らかいジャンプロボットが開発されており、駆動方法も、一体型スプリング、形状記憶合金（SMA）、磁気アクチュエータ、光力学アクチュエータ、誘電エラストマーアクチュエータ（DEA）、空気圧アクチュエータ、化学アクチュエータ、モーター、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）アクチュエータなど、非常に多様です。

それらのいくつかはエネルギー貯蔵ジャンプロボットであり、通常は強力な単一ジャンプ性能を備えていますが、追加の弾性エネルギー貯蔵プロセスを必要とするため、ナビゲーション効率が犠牲になります。

さらに、エネルギー貯蔵プロセスの延長によりジャンプの高さは増加しますが、着地の安定性とジャンプの頻度は低下します。空気圧アクチュエータ、化学アクチュエータ、モーターによって駆動されるソフトジャンプロボットには、通常、複雑なナビゲーション戦略と構造が必要です。一方、DEA と PVDF アクチュエータに基づく軽量ソフトジャンプロボットは、追加のエネルギー貯蔵なしに体の一部を曲げるだけで単純なジャンプを実行できるため、ジャンプ頻度が高くなりますが、JH と JD は障害物を越える要件 (< 体高の 0.25 倍) を満たすのに十分ではありません。

油圧増幅型自己修復静電 (HASEL) アクチュエータは、電気静水力学によって内部流体の分布を変更することで直線運動を実現します。この電気油圧駆動方式は、複雑なエネルギー貯蔵プロセスを必要とせずに、非常に短時間でジャンプに必要なエネルギーを生成することができます。これは障害物を高速で横断するロボットにとって潜在的な解決策ですが、まだ 3 つの大きな課題に直面しています。

（１）スタッキングなしでシングルホップ性能を向上させる。
（２）迅速な回復を達成する。
（３）前方ジャンプと回転ジャンプを生み出す。

研究者たちは、これらのロボット機構の長所、短所、性能を詳細に分析した後、静電気原理とフレームの急速な曲げと反発を利用してアクチュエータのジャンプ性能を向上させました。

図 | LSJR の詳細設計と動作原理 (出典: Nature Communications)

研究者たちは、この新しいソリューションを LSJR と名付けました。これは、高速で連続的なステアリングジャンプと障害物横断機能を備えたソフト電気静水圧曲げアクチュエータ (sEHBA) をベースにした、電気静水圧駆動の連結脚なしソフトジャンプロボットです。

予備実験では、sEHBA の高速応答特性により起動時間が短く (約 10 ミリ秒)、LSJR を使用して 7.68 体高の JH、1.46 体長の単一ジャンプ、および 4 Hz の周波数で 390.5 mm/s (6.01 体長/秒) の連続前方ジャンプ速度を達成できることが示されました。

また、デュアルボディLSJRは、既存のソフトジャンプロボットの中で最速となる毎秒138.4度の速度で旋回できることも実証した。

図 |ロボットの跳ね返りの原理と効果（出典：Nature Communications）

実験シナリオでは、LSJR の急速な連続ジャンプ動作により、傾斜路、ワイヤー、単一のステップ、連続したステップ、円形の障害物、砂利の丘、さまざまな形状の立方体など、さまざまな障害物 (一部はロボットよりも大きい) を越えることができます。

最適なパフォーマンスパラメータを探る

LSJR は、二軸延伸ポリプロピレン (BOPP) フィルム材料で作られた 2 つの半円形のプラスチック バッグで構成されており、潜在的なワイヤ接続用に柔軟な電極が印刷されています。袋の前面には誘電液が充填され、背面には同量の空気が充填されています。柔軟なプラスチック (PVC) リング フレームがエッジに固定され、事前に伸ばされています。 2 つの電極に高電圧をかけると、LSJR が通電されて曲がり、前方にジャンプするための力とエネルギーが生成されます。後部エアバッグは動物の尻尾のような形状をしており、ジャンプや着地姿勢のバランスを保つために使用され、LSJRの全体構造において重要な役割を果たしています。

設計コンセプトと動作原理の観点から、研究者らは、ジッパー機構に基づく 2 つの半円形の液体バッグで構成される半円形の分離された HASEL (SCS-HASEL) アクチュエータに HASEL 型アクチュエータを熱シールします。次に、SCS-HASELアクチュエータの後部半円形バッグ内の誘電液を等量の空気に置き換え、後部半円形バッグのカバー電極を取り外して、誘電液がアクチュエータ全体に対して異方的に流れるようにします。

予想通り、特殊な液体ガスレイアウトにより、エアバッグが地面に跳ね上がっても液体ガスアクチュエータが前方に跳ね上がることがわかります。これは、電極が液体誘電体を圧迫して急速に流動させ、LSJR が通電されて曲がることで初期の運動エネルギーを獲得できるためです。 LSJR のジャンプ性能をさらに向上させるために、バッグ内の空気をヘリウムなどの密度の低い非爆発性のガスに置き換えることができます。軽量なロボット設計により、転覆することなく安定したジャンプと着地が可能になります。

図｜LSJRモバイルフォワードテスト（出典：Nature Communications）

JD と JH は、LSJR のジャンプ性能を特徴付けるために使用できる 2 つの重要なパフォーマンス指標です。 r = 電極面積：非電極面積。実験では、r = 1:1 の場合、ロボットはより大きな JD と JH を生成することが示されています。 r が大きすぎる場合 (例: r = 2:1)、BOPP フィルムの柔軟性が損なわれ、フレームの正常な曲げが妨げられ、垂直方向の地面反力が低下します。

さらに、連続前方ジャンプ速度 (CFJS) は、連続前方ジャンプロボットの重要な性能特性です。 10 kV、4 Hz での平均回転速度 (TS) = 138.4°/s、**論文によると、これは既存のソフトジャンプロボットの中で最速であり、木製のボード上で達成されています。 ** 基質の違いは連続ジャンプ能力に大きく影響します。滑らかなガラス板上で、10 kV および 4 Hz の同じ条件下では、平均 TS はわずか 27.9°/s です。十分な基板表面粗さは、ロボットが連続動作中に滑るのを防ぐだけでなく、無動力の LSJR の動作を妨げ、ステアリング動作に影響を与えます。

LSJR は障害物通過能力に優れており、複雑で非構造化された環境での探査、検査、偵察任務を遂行することが期待されています。印加電圧 10 kV、駆動周波数 4 Hz の条件下で、モノマー LSJR は CFJS 16.3 mm/s (0.25 体長/s) でガラス板 (傾斜角 3°) を登り、直径 6.3 mm のワイヤを横断し、高さ 8 mm の段差を横断し、連続段差を横断しました。

障害物の高さ間隔4mmの障害物横断試験において、LSJRが横断できる最大高さは14mm（長方形）、18mm（三角柱と円柱）で、砂利を多く含む砂利坂（大きさ：3～6mm）もスムーズに横断できます。

図｜障害を乗り越えるLSJR移動前進試験（出典：Nature Communications）

さらに興味深い進化がある

一般的に、LSJR には、薄型、軽量、モジュール性、コスト効率の良さなどの利点があります。シンプルな制御戦略により、ロボットは高速で連続的な操縦ジャンプ、運搬、障害物横断機能を実現できます。

特殊な液体ガスレイアウトとエッジ固定の予め曲げられたフレームを採用することで、周期的な鞍型曲げと異方性液体の流れによって引き起こされる急速で連続的な前進および旋回ジャンプ動作が実現され、次のようなHASELアクチュエータのいくつかの制限を補います：(1)前進および旋回ジャンプを実現できないこと。 （２）スタッキングなしでの単独ジャンプのパフォーマンスが弱い。 （３）すぐに回復できないこと連続前方ジャンプ動作では、各ジャンプの角度偏差を 8° 以内に制御でき、ロボットの最大ジャンプ高さは 18 mm に達します。

LSJR のジャンプ性能は、印加電圧だけでなく、さまざまな移動基板の表面テクスチャにも依存します。同じ印加電圧（10 kV、4 Hz）では、最も滑らかな表面を持つガラス基板がすべての基板の中で最も低い摩擦を提供し、CFJS は 95.6 mm/s（1.47 体長/s）と低くなります。現時点では、このためロボットの用途は比較的滑らかな表面でのジャンプに限定されています。

研究者らは、LSJRは光や柔らかい温度センサー、ペースト、フォトクロミック染料を接続することで、温度や紫外線などの環境変化を検知・記録するために使用できるほか、他のセンサーを統合することで、産業環境や民間建築物内の汚染物質など、より多くの環境要因を検知するためにも使用できると述べた。

次のステップでは、sEHBA のスケーラビリティとパラメータの最適化に焦点を当てて、より優れたジャンプ性能を実現し、制約のない LSJR とアプリケーション、および壁登りロボット、水泳ロボット、羽ばたき翼ロボットなど、sEHBA に基づくその他のソフトロボットを開発します。

参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27265-w

執筆者: Cooper 編集者: Kou Jianchao レイアウト: Li Xuewei

出典: アカデミックヘッドライン