研究者たちは、ロボットが触れた瞬間に感知し反応できる柔軟な機械力センサーを開発しました。このセンサーは、電子機器、コンピュータ、外部電源に依存せずに機能します。この装置はME-SOFS（機械柔軟力センサー）と呼ばれ、加えられた力を直接流体の流れに変換し、柔軟なロボットアクチュエーターを活性化させ、完全に機械的な感知から行動へのプロセスを創出します。このシステムはすべて柔軟で適応性のある材料で構成されており、従来の電子センサーや制御回路の必要性を排除し、複雑さと潜在的な故障点を減少させます。シンガポール国立大学の設計工学部のチームによるこの革新は、水中や人体内、または他の電子システムが脆弱な極端な環境で動作する柔軟なロボットの性能を改善する可能性があります。
ME-SOFSセンサーの設計と機能
ME-SOFSセンサーは、触れた感覚を直接機械的な動作に変換することを目的とした、3Dプリントされた柔軟な多孔質構造です。設計には、中央の柱を囲む5つの流体で満たされたチャンバーが含まれています。そのうち4つは水平方向に配置され、1つは垂直に配置されています。力が加わると、柱は接触点に傾き、対応するチャンバーを圧縮し、柔軟なパイプを通じて流体をアクチュエーターに押し出します。これにより、即時の感知から行動への反応が生まれ、各チャンバーは独立して機能し、水平方向、側方、垂直方向の力を区別します。
センサーの感度は、3Dプリント構造の幾何学的形状を変更することで調整できます。孔径、傾斜厚さ、中央のフォームの角度などのパラメータを調整することで、装置は基本的な操作原則を変更することなく、異なる強度の力を検出できます。
このセンサーは、電子機器を必要とせずに触れた感覚を運動に変換し、厳しい環境で動作する柔軟なロボットをよりシンプルにします。機械的な反応に加えて、このシステムは受動回路を介して測定可能な電気出力を生成します。流体が排出されると、流体は3Dプリントされた金属アークを小さな磁石で押し出し、電磁誘導によって電圧パルスを生成します。これは自転車の発電機で使用される原理に似ています。研究チームによると、パルスの数は加えられた力に直接関連しており、電源供給なしで明確な測定を提供します。流体に基づく設計は、高要求環境で動作するロボットシステムに強力な触覚センサーと物理的フィードバックの可能性を提供します。
今後の研究の方向性と応用
シンガポール国立大学設計工学部の機械工学科のCecilia Laschiは声明の中で、「この研究は、制御システムなしで物理的な身体が感覚的な運動行動を生み出す方法を示しており、これは生物学における神経系の一種のアナロジーと見なすことができます」と述べています。ME-SOFSの多機能性は、複数の柔軟なロボットシステムで証明されています。5つのミニセンサーを含む柔軟なグローブは、各センサーのサイズが緑色のエンドウ豆程度で、全体が3Dプリントされており、手動での組み立ては不要です。
手に装着すると、グローブは各指先の掴む力を測定し、物体の重さを正確に推定します。これは義肢や先進的なヒューマンマシンインターフェースにおける潜在的な応用を強調しています。
チームはまた、このセンサーをユーザーの指先に装着する柔軟な触覚パッドと組み合わせ、タッチベースのフィードバックシステムを作成しました。ロボットのクローからの流体圧力は直接触覚パッドに伝達され、オペレーターは触れるだけで掴む強度を評価でき、壊れやすい卵から木の塊、水が部分的に入った瓶などの物体を扱うことができます。記録された力のパターンは後で再生され、ロボットに成功した掴み動作を自律的に繰り返すように教えます。このセンサーは、ミニ流体装置内で液滴を制御し、毛のような柔軟な構造を指導します。ソフトウェアなしで機能し、90°C（194華氏度）までの水温と約11メートル（36フィート）水中の圧力においても信頼性を保ち、電子部品を含まないため電磁干渉にも耐えます。
研究チームは、今後の研究がシステムの小型化とその駆動力の拡張に焦点を当て、より広範なロボット応用に適用できるようにすることを強調しています。また、感知-駆動ループを柔軟なロボットに直接統合し、本能的な反応を行いながら、豊富な力の信号を利用して複雑な環境での感知と相互作用を改善することを目指しています。元の研究は『Science Advances』ジャーナルに発表されました。