[論文レビュー] Harnessing bistability for directional propulsion of untethered, soft robots

Tian Chen, Osama R. Bilal+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Advanced Materials and MechanicsEngineering被引用数 18

ひとこと要約

本論文では、環境温度の変化に応じて形状記憶ポリマー（SMP）筋肉が作動する二重安定要素を用いて、事前にプログラムされた方向性の推進を達成する、完全にソフトでアンタングルドの遊泳ロボットを提示する。このロボットは、温度によって引き 触発される順次作動により、前進して荷物を届け、元の位置に戻る自律的なナビゲーションを実現する。

ABSTRACT

In most macro-scale robotics systems , propulsion and controls are enabled through a physical tether or complex on-board electronics and batteries. A tether simplifies the design process but limits the range of motion of the robot, while on-board controls and power supplies are heavy and complicate the design process. Here we present a simple design principle for an untethered, entirely soft, swimming robot with the ability to achieve preprogrammed, directional propulsion without a battery or on-board electronics. Locomotion is achieved by employing actuators that harness the large displacements of bistable elements, triggered by surrounding temperature changes. Powered by shape memory polymer (SMP) muscles, the bistable elements in turn actuates the robot's fins. Our robots are fabricated entirely using a commercially available 3D printer with no post-processing. As a proof-of-concept, we demonstrate the ability to program a vessel, which can autonomously deliver a cargo and navigate back to the deployment point.

研究の動機と目的

• バッテリーや搭載電子機器なしで方向性推進が可能な、完全にソフトなアンタングルドロボットの開発。
• 環境温度を唯一の作動トリガーとして用いることで、自律的ナビゲーションと荷物搬送を実現すること。
• 異なるガラス転移温度を持つSMP筋肉の順次作動を通じて、逆方向移動を実現すること。
• 後処理や複雑な組立工程なしに、一体成形された3Dプリンティングによるロボットの作成。
• 二重安定性と形状記憶材料を用いたプログラマブルなソフトロボットの設計フレームワークの確立。

提案手法

• ロボットは、大きな変位を生じるスナップスルー不安定性を示す二重安定要素を機械的「エンジン」として用いる。
• チューナブルなガラス転移温度（Tg ≈ 35°C および 60°C）を有する形状記憶ポリマー（SMP）筋肉を、マルチマテリアルのStratasys Connexプリンタを用いて3Dプリンティングする。
• SMP筋肉を二重安定要素に取り付け、そのTgを超える加熱によりスナップスルーが発生し、方向性のあるフィンの運動と推進が生じる。
• より高いTgを持つ第二のSMP筋肉を用いて、二重安定要素の状態を逆転させ、後退運動を可能にする。
• ロボットの前端に取り付けられた形状記憶グリッパーが3Dプリンティングされた荷物を保持し、Tgを超える加熱により解放する。
• 熱-粘弾性材料モデルを用いたAbaqusを用いた有限要素シミュレーションにより、設計の妥当性と作動挙動の予測が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にソフトでアンタングルドのロボットが、バッテリーや搭載電子機器なしに方向性推進を達成できるか？
• RQ2 環境温度の変化をどのように活用して、ソフトロボットにおける順次作動と移動をプログラミングできるか？
• RQ3 一つのロボットが、温度応答性材料のみを用いて、荷物の搬送と出発点への帰還を自律的に行えるか？
• RQ4 二重安定力学とSMP作動を組み合わせることで、逆方向移動を実現するための設計原則は何か？
• RQ5 一体成形された3Dプリンティング構造において、材料および幾何形状のチューニングのみで、複雑な事前プログラムされた運動シーケンスを達成できるか？

主な発見

• 最初のSMP筋肉（Tg ≈ 60°C）がその転移温度を超えて加熱されると、二重安定要素が前方にスナップスルーし、ロボットは自律的前進を達成する。
• より高い温度（Tg ≈ 60°C）で、第二のSMP筋肉が作動し、二重安定要素の状態を逆転させ、ロボットが後退する。
• 形状記憶グリッパーはTg ≈ 35°Cに加熱されると荷物を解放し、自律的な搬送が可能になる。
• ロボットは、単一の3Dプリンティングによる一体成形構造で、前進、荷物の解放、出発点への帰還を含む完全なミッションを成功裏に実行した。
• 有限要素シミュレーションにより、熱的荷重下での二重安定系の予測された作動挙動と力の発生が確認された。
• SMP筋肉、二重安定構造、グリッパーを含むロボット全体が、後処理なしに1回の印刷で作成された。