2019 Fiscal Year Annual Research Report
A quest for Soft robotics through creation of stochastic machines
| Project Area | Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing |
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| Project/Area Number |
18H05473
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
前田 真吾 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (40424808)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤田 秀之 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00308206)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | ゲル / エラストマ / 化学反応 / SMA / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人間と共存できるロボットや機械の実現に対する期待が高まりつつある．これまで，確実性を目指した機械システムの発展と共に，メカトロ技術の高度化によるシステムの複雑化が行している．本計画研究において，やわらかい仕組みやメカニズムを活用するソフトロボットに着目し，機械の複雑性の壁を乗り越える．A03班ではソフトロボットにおける「しなやかな知能」に関する研究に取り組む．研究分担者と協力しつつ，様々な研究が進展しつつある中で，次の3つのプロジェクトにまとめることができる．主な成果は次の通りである．（１）化学反応を基礎としたソフトロボット研究，（２）人体機能を再現するソフトロボット研究，（３）融合することで生じた創発的研究，である．（１）について，振動化学反応とカップルしたハイドロゲルの挙動について数理モデルを構築し，数学的に解析した．電気化学反応を基礎とするソフトEHDポンプに関する実験研究が領域内，国際共同研究研究の成果としてNature誌に掲載された．自律駆動する反応性液滴の運動を制御することに成功した．（２）SMAワイヤの高速応答性について，物理的に明らかにした．さらにセンシングとアクチュエーションを兼ね備えた機能を見出した．（３）不均一性を考慮したスポンジについて，非線形ばね格子モデルを作成，解析した．本研究では，様々な融合研究を推進している．理論系研究者と実験系研究者の融合，領域内の融合研究，国際共同研究である．積極的に若手研究員を雇用し，突破力のある研究を実施する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
化学反応を基礎としたソフトロボット研究において，BZゲルに関する研究では，BZ反応の化学反応の速度式の数理モデルであるOregonatorと，ゲルの体積分率（ゲルの濃度）の効果を，Oregonatorへ部分的に取り入れたBZゲルのモデル(GEL-Ogregonator)を提案し，そして数学的に解析した．つまり，ゲルの体積分率（ゲルの濃度）のダイナミクスとOregonatorを統合することに成功した．ソフトEHDポンプに関する研究では，シンプルな解析モデルを作成した．概ね実験結果と一致することを確認し，提案したモデルが妥当であることを確認し，電極間距離の最適化をすることが可能となった．自律的に駆動する反応性液滴に関する研究では，外骨格による油滴の自律的変形は，対流の発生条件に影響を与え，油滴の自走制御へ繋がることを明らかにした(RSC Advancesに採択)．
人体機能を再現するソフトロボット研究では，SMAの高速伸縮動作と応答性を精密測定し，シミュレーションと共にその物性的特性を考察した．さらに，触覚提示アクチュエータへを検討した．
融合することで生じた創発的研究では，不均一性を考慮したスポンジの力学に関する研究では，非線形ばね格子モデルを考案し，数学的に解析した．不均一性の強さに依存して定性的に異なるふるまいが実現されることが明らかとなった．理論系の研究者と実験系研究者が融合し，非線形現象に対する理解とどのようにソフトロボットへ活用するか，議論を進めている．また，新学術領域のメンバーとの共同研究，国際共同研究の結果ソフトEHDポンプの研究がNature誌に採択され，国内外のメディアに掲載された．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在，世界的な問題に発展したコロナウィルスについて慎重になりつつ今後の方策について検討している．本年度は理論研究，シミュレーション研究，機械学習や情報処理系の研究にシフトする．このような状況下においても，研究を推進する．化学反応を基礎としたソフトロボット研究において，GEL-Oregonatorの数学的な解析を進める．特に，この解析結果から，ゲルの振動の空間周期の濃度依存性を解析する．そして得られる運動エネルギーを最大化するパラメータの評価し，実験系との対応関係について議論する．EHDポンプにセンシング機能を化学反応によって付与できないか，理論モデルを構築する予定である．自律駆動する反応性液滴のシミュレーションを実施し，実験との対応を考察する．人体機能を再現するソフトロボット研究においては，SMAの高速応答性を活用した触覚デバイスに関する情報系の研究を実施する．融合することで生じた創発的研究では，スポンジの力学モデルをソフトアクチュエータ，センサの理論モデルを作成し，数学的に解析することを検討する．静電型デバイスを考察する．
A03班では，「しなやかな知能」を探求している．研究代表者らのグループでは，「しなやかな知能」を，ソフトマテリアル（ゲル，エラストマ，流体等）の非線形なダイナミクスや振舞を積極的に利用することが，しなやかな知能の実現の一歩であると考えている．したがって，非線形現象の本質をうまく捉えつつ，ソフトロボットへの展開を考える．
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