折り紙

USC の研究者は、ロボット工学におけるソフトコンポーネントの動きを測定する革新的なソリューションを開発しました。

折り紙からインスピレーションを得たひずみセンサーは、ソフトロボットとの関わり方を変える可能性がある

ハリウッドはロボット工学者にとって頼りになるインスピレーションの源です。 「アバター」や「ロード・オブ・ザ・リング」などの映画に登場するアニメーション キャラクターの驚くほど本物そっくりの動きは、モーション キャプチャの技術を使用して生成されます。モーション キャプチャでは、俳優に反射マーカーが取り付けられ、カメラでキャプチャされ、モーション データに変換されます。アニメーションソフトで読み込むことができます。

ソフトロボティクスの分野では、ロボットアームの筋肉などのソフトコンポーネントの変形、つまり形状の変化を追跡するために、同様の方法が使用されています。 カメラは、研究者がロボットの動きを予測して制御するための重要な情報である伸縮性と回復を測定できるデータを収集できます。

ここに問題があります。このプロセスは研究室の外ではめったに機能しません。 ロボットが海洋を航行したり、宇宙で動作したり、人間の体内に閉じ込められたりする場合、複数のカメラのセットアップが常に実用的であるとは限りません。

だからこそ、航空宇宙機械工学科とアルフレッド E. マン生体医工学科の助教授を兼任しているハンボ・ジャオ氏は、別のアプローチを試すことにしたのです。

折り紙からヒントを得た電極設計を採用したひずみセンサーのスケール画像

ソフトロボット工学の同僚との会話をきっかけに、Zhao 氏と研究グループは、折り紙で使用される折りパターンからインスピレーションを得た 3D 電極を使用した新しいセンサーの設計を開発しました。これは、一般的なセンサーよりも最大 3 倍高いひずみ範囲を測定できます。 。

このセンサーは、形状変化と適切な機能を追跡する目的で、義足の機械的な腱から人間の内臓の脈動物質に至るまで、動いている軟体に取り付けることができ、カメラは必要ありません。

結果として得られた論文「折り紙にインスピレーションを受けた 3D メソ構造を使用した高伸縮性および低ヒステリシスひずみセンサー」は、主要なジャーナル Science Advances に掲載されます。

「新しいセンサーを開発するために、私たちは折り紙の原理を応用した小規模 3D 構造の設計と製造におけるこれまでの仕事を活用しました」と Zhao 氏は説明しました。 「これにより、センサーを繰り返し使用することができ、軟体の大きくて動的な変形を測定する場合でも正確な測定値を得ることができます。」

Hangbo Zhao 教授と論文の筆頭著者である Xinghao Huang、機械工学博士候補者

既存の伸縮可能なひずみセンサーは通常、ゴムなどの柔らかい素材を使用しますが、このタイプの素材は繰り返し使用すると素材特性が不可逆的に変化する可能性があり、変形検出に関しては信頼性の低い測定基準が生成されます。

しかし、センサーの素材が本質的に柔らかくなかったり、伸縮性がなかったらどうなるでしょうか? 代わりに、電極の 3D 構造は、伸縮と解放を展開と折り畳みのプロセスに変換します。

電極ベースのセンサーに対する Zhao の独創的なソリューションは、平らな紙で実証できます。 どちらかの側を引くと大きくなりますか? いいえ？ なので、伸縮性はありません。

次に、紙を半分に折ります。 もう一度開きます。 折られた紙の形は変化しますが、素材自体は実質的に変化しません。 つまり、伸縮性に優れています。

電極が展開すると、電場の強度が捕捉されます。 チームが開発したモデルは、この読み取り値を変形の測定値に変換します。 このアプローチは、既存のセンサーでは正確に識別できない大きな変形に応答するのに最適です。 折り方の技術を使えば、素材を変化させることなく、可逆的な寸法のジャンプを実現できます。

「私たちは、3D 折り紙からヒントを得た電極を、共有結合によって柔らかく伸縮性のある基板と統合します」と Zhao 氏は説明しました。 「このユニークな組み合わせにより、約 1.2 パーセントの超低ヒステリシスで 200 パーセントのひずみに至る非常に大きな変形を測定することができます。 応答も 22 ミリ秒以内と非常に高速です。」