オイルを充填した「筋肉」がこのロボットの脚に弾力を与える

研究者たちは、歩行ロボットの敏捷性、性能、効率性を向上させる新しい方法を常に模索しています。ほとんどの場合、この焦点はモーターの進歩に集中しています。しかし、ETH チューリッヒとマックスプランク知能システム研究所 (MPI-IS) のチームは、動物生物学と人体解剖学にヒントを得た人工の静電駆動筋肉という代替アプローチに焦点を当てています。

モーター技術と人工知能の設計の進歩により、2本足ロボットも4本足ロボットもここ数年でかなり機敏になりました。しかし、多くのロボットにとって、エネルギー要件とコストは依然として大きな障害であり、特に膨大な量の環境センサーデータを解釈するために必要なAIシステムに関してはその傾向が顕著です。

これらの問題を回避するため、マックス・プランクETH学習システムセンター（CLS）との新しい研究パートナーシップの協力者は、DCモーターや高性能人工知能プログラムを必要とせずに、手足の伸筋と屈筋を模倣しようと試みている。モーター付きの部品の代わりに、新しい設計では、日常的な冷凍パックに似た油入りビニール袋を使用している。9月9日にNature Communicationsに掲載された論文で詳述されているように、チームの新しい油圧増幅型自己修復型静電アクチュエータ（HASEL）により、プロトタイプの「脚」は、従来のモーター駆動のオプションほど熱を発生することなく、不均一な地形を簡単に飛び越えながら素早く適応することができる。

これを機能させるには、導電性オイルが入った 4 つの独立した袋で構成された 2 つの「筋肉」の両側を部分的に電極パッチで覆う。次に、筋肉を人工腱で、3D プリントされた膝関節と股関節を備えた軽量のカーボン ファイバー スケルトン フレームに接続する。そして、跳躍を開始するときになると、チームは電気ショックを与える。

「電極に電圧をかけるとすぐに、静電気によって電極が引きつけられる」と、博士課程の学生でこの研究の共同筆頭著者であるトーマス・ブフナー氏は、9月9日のETHチューリッヒの付随発表で述べた。

ブフナー氏は、この電荷を、風船を頭にこすりつけて髪の毛がくっつく現象に例えた。電圧が上昇するにつれ、電極は互いに収縮し、袋の中の油を片側に押しやり、その過程で全体の形が短くなる。動物や人間の脚のように、片方の筋肉が短くなると、もう片方の筋肉が長くなる。

筋肉のサイズと形状のこうした正確で素早い変化は、環境をうまく移動する上で重要です。足元の地形に対応するのに必要な適切な電圧を決定するために、ロボット脚は特別に設計されたコンピューター コードを使用して、関節を伸ばすための信号と曲げるための信号の 2 つの入力信号を解釈します。跳躍するたびに、脚の関節は足元の地面の硬さや可塑性に応じて適切な角度に調整されます。

「地形に適応することが重要な側面です。人が空中に飛び上がって着地するとき、膝を90度に曲げるべきか70度に曲げるべきかを事前に考える必要はありません」と、同じく博士課程の学生で共同筆頭著者の福島俊彦氏は月曜日に語った。

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比較的単純なセンサーとコンピューター コーディングの組み合わせにより、チームのロボット脚は既存のモーター駆動システムよりもはるかにエネルギー効率に優れています。これは、不要な熱生成に関して特に当てはまります。熱画像を使用して、DC モーター対応の脚の配線は華氏 100 度近くの温度を生成しました。一方、HASEL 設計では余分な熱はほとんど発生しませんでした。DC モーターを使用した制御脚と比較して、HASEL 対応の脚は、モーター駆動の電磁設計のわずか 1.2 パーセントのエネルギーしか必要としませんでした。福島氏によると、これは彼らのシステムがヒートシンクやファンなどのモーター駆動ロボットと同じ熱管理ツールを必要としないことを意味します。

しかし、今のところは、筋肉で動くこの脚は、小さな円形の軌道上に固定されたままでいる必要がある。チームが固定されていないバージョンをテストできるようになるまでには、さらに多くの作業と改良が必要だが、研究者たちは、エネルギー効率が高く簡素化された設計が、いつの日か、今日の電動機械に匹敵する、あるいは凌駕する四足歩行ロボットや二足歩行ロボットに採用されるかもしれないと考えている。