将来は注文に応じて印刷される柔らかいロボットでいっぱいになるかもしれない

ゼラチンと砂糖シロップを混ぜると、1900 年代風のおいしいデザートが作れます。しかし、これはゲル状の物質のベースでもあり、将来的には、安価で柔軟性があり、持続可能なロボットにつながる可能性があります。

オーストリアのリンツにあるヨハネス・ケプラー大学の科学者たちは、ゼラチンなど、おそらく近所のお店で手に入る材料を使って、触手のようなロボット指を作った。彼らは材料を調理し、3Dプリンターで指を作成した。彼らはその研究を2月2日にScience Robotics 誌に発表した。

ロボットは金属やセラミックなどの硬い素材でできた硬い構造物だと思われがちです。自動車や外骨格を組み立てる機械はこうした種類のものです。しかし、ロボットには他にも、周囲の環境に合わせて曲がることができる、より柔軟な素材で作られたロボットがあります。

これは成長を続けるソフトロボットの世界です。近い将来、ソフトロボットが人体に入り込むようになるかもしれません。その柔軟性により、たとえば手術器具をさまざまな体型に合わせることができるようになります。地球でも他の惑星でも、海の生物に似せて海中を探索するのもソフトロボットかもしれません。

しかし、これらの柔らかいロボットが極端なところまで行って魚のように泳ぐことができたとしても、それらを動かす材料はプラスチックのようなポリマーであることが多く、再生可能でも環境に優しいものでもありません。一方、ゼラチンは自然に生分解し、痕跡を残さない。そのため、リンツなどのロボットメーカーは数年前からゼラチンベースの材料に取り組んできました。

しかし、ゼラチンはロボット工学の研究室で突然現れるとは予想もしなかった別の課題も引き起こします。ゼラチンは本質的に糖とタンパク質なので、カビが生えやすいのです。そして、ゲルの水分が乾燥すると（非常に乾燥した環境では当然のことながら起こります）、ゲルの取り扱いが難しくなります。

「脆すぎたのです」と、スイスのEFPLの物理学者で、この新しい論文の研究者の一人であるフロリアン・ハートマン氏は言う。「そのため、ほんの少し引っ張るだけで、簡単に壊れてしまいます。」

リンツグループのレシピは、こうした課題のいくつかを回避している。ゼラチンと砂糖に加えて、クエン酸を加えることで材料の pH 値を変え、微生物が早期に材料を食い荒らすのを防ぐ。また、グリセロールも混ぜることでゲルが水に浸みにくくなる。こうした改良により、材料は元の長さの 6 倍まで伸ばしても構造を維持できる。リンツグループは 2020 年にこのレシピを初めて公開した。

「私たちはさらに研究を続け、より高性能でより機能性の高い、より複雑なロボットを作ろうと努めました」とハートマン氏は語る。

それが今日に至った。これまでのゼラチン製造者の大半は、台所で行うような型を使って部品を作っていたが、リンツの研究者たちは、ゼラチン物質を使用するために 3D プリンターを改造した。

ソフトロボットの 3D プリントは、これまでのところ、大きな期待が寄せられているものの、成果がほとんどない技術です。問題の一部は、これまで使用されてきたポリマーがほとんどなく、固まるまでに長い時間がかかることです。つまり、印刷に非現実的な時間がかかるということです。しかし、ゼラチンには利点があります。タンパク質であるため、結晶化してポリマーよりもはるかに速く実用的な印刷物を作成できます。

「3Dプリンターから直接、完全に生分解性の製品を製造するというのは、非常に興味深いアプローチだと思います」と、この論文には関わっていないパデュー大学のエンジニア、ラムセス・マルティネス氏は言う。

指を動かすために、リンツの研究グループは、エタノールとシェラック（非常に古いレコードに使われている樹脂）を含む材料でできた外骨格で指を包んだ。このストリップは、光が指とその周囲の空気の間を通過するときに、光がどのように屈折するか、つまり曲がるかを感知する。

これにより、圧縮空気を押し当てることで 3D プリントされたゼラチン フィンガーを制御できるようになりました。空気が動くと、フィンガーを通過する光の角度が変わり、それに応じてストリップが揺れます。リンツ グループは、Raspberry Pi と PlayStation 4 コントローラーを含むシステムでフィンガーを制御しました。実験では、フィンガーが周囲から物体を押しのけるようにできました。

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ハートマン氏は、この指が研究室の外でどれほどうまく機能するか確信が持てない。ゼラチンは溶け始めるまでに華氏約140度まで上昇する可能性があり、水と接触させるにはさらに調整が必要になる。しかし、幸いなことに、この指は広く入手可能な材料で作られているため、さらなるテストのために材料を簡単に作ることができる。

「タンパク質に関連するものはすべて、この技術を応用できると考えています」とマルティネス氏は言う。非有機部品による安全リスクを回避するために食品製造に使用されるロボット部品もそのひとつかもしれない。ハートマン氏はまた、ロボット玩具に使用して子供への危害を最小限に抑えたり、ポップアップ アート インスタレーションに使用して簡単に使い捨てできるようにしたりすることも想定している。

マルティネス氏は、ゼラチン ロボットは、高放射能地域などの敏感な環境への侵入に使用できると付け加え、作業員は自分自身への危害を減らす必要性とさらなる汚染を防ぐ必要性のバランスを取らなければならない。「ロボットを持ち帰って回収するのは、単純に避けたいことです」と同氏は言う。「ですから、これらの効果のために、分解し、実際に生分解するものがあれば、非常に興味深いでしょう。」

ゼラチンロボットは、おそらく自動車を組み立てられるほどの重量を持ち上げることはないでしょう。しかし、この一本の指が示すように、ロボットは自動車を組み立てるよりもはるかに多くのことを実行できます。