2021 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, 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 / ソフトアクチュエータ / EHD / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ソフトロボットの「しなやかな知能」を実現するために、広い意味で確率的な方法を用いて探求する．(1)ゲルと化学反応ネットワークが結合した系として，振動化学反応であるBZ反応を高分子ゲルに組み込んだ系について研究を進めてきた.本研究では、新しい情報処理系を構築するために，シンプルな理論モデルやその実験系を検討した．(2)化学反応で駆動する自走液滴に関する研究を推進した．各種形状のブーメラン型にくり抜いた外骨格を用いて，界面活性剤の水溶液中に無水オレイン酸を主成分とする油滴を滴下した際の，自走方向および速度を制御する手法を提案した．(3)不均一性を有するスポンジに関する応力-歪特性に関する理論研究について，シンプルなモデルを提案し解析した．(4)電気流体現象であるEHDを使った，セルセンシング手法を開発し，理論モデルを構築した．本手法では外部のセンサを取り付ける必要がないため，極めてコンパクトな仕組みであると言える.(5)形状記憶合金(SMA)ワイヤの形状記憶効果と超弾性効果を利用した、力センサならびに微小振動アクチュエータの研究開発を進めた。これまでに，Ti-Ni-Cu系SMAワイヤについて、高速伸縮動作を実現するための制御手法を確立しており，本年度はこれを触覚感覚を人工的に創り出すシステムへ応用した．また振動を起こしながら，ワイヤに作用する力をリアルタイムに計測する手法を開発し，数百Hzまでの微小振動を自在に生成することにより，様々な触覚感覚を創り出し，遠隔地に伝送、提示するシステムを構築した．さらに，本SMAセンサを使って，機械学習により触覚感覚を認識，弁別する手法を提案した．更にSMAワイヤアクチュエータのソフトロボットへの応用を提案した．(6)誘電エラストマーアクチュエータの高速駆動と低電圧化を実現した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1)ゲルと化学反応ネットワークが結合した系について，解析できるシンプルなBZゲルオレゴネータを提案し，周期を解析的に導出することに成功した．(2)化学反応で駆動する自走液滴に関する研究について，ブーメラン型にくり抜いた外骨格は，溶液中の自走油滴の形状固定に作用する．ブーメランの左右形状を非対称にすることで，油滴内部に発生するマランゴニ対流が変化し，自走速度ならびに方向が変化することを示した．(3)ソフトセンサ・アクチュエータや構造材料としてソフトロボットの設計には使われているにも関わらず，応力-歪特性について不明な点が多かった．スポンジのミクロな内部構造のランダムネスを考慮して，ミクロな構造の座屈現象とその確率的なモデルを構築し解析することに成功した．(4)電気流体現象であるEHDを使った，セルセンシング手法について，外部からECDT内部に流れを流入させた時に，ECDTに流れる電流値の変化を実験から観測した．この実験結果から，ECDT内部に生じるイオンの拡散によって電流が変化したと推察し，理論式を立てた．イオンの拡散によって電流変化が生じることを明らかにした．(5)SMAの振動を起こしながら，ワイヤに作用する力をリアルタイムに計測する手法を開発し，数百Hzまでの微小振動を自在に生成することにより，様々な触覚感覚を創り出し，遠隔地に伝送、提示するシステムを構築した．また，Fish robotとして，SMAワイヤを尾びれ内に実装し，アクチュエータの伸縮動作をひれの左右の動きに変換できることを示した．アクチュエータの制御には機械学習を応用し，Fish robotが自律的に泳動手法を獲得できることを示した．(6)誘電エラストマーアクチュエータについて，ナノシートを利用することで電極間の距離を数百ナノメートルにし，100V以下の高速駆動を実現した．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度ということもあり，各研究をまとめあげていく必要がある．領域内の研究者と活発に共同研究を推進することで，新しい視点や価値観をさらに見出す努力をする．BZゲルに関する研究は，構築した理論モデルを活用して外部刺激に対する応答や複数の連結した系について考察していく．化学反応で駆動する自走液滴に関する研究についても，外部刺激に応答できるような系を構築する．これにより，化学反応のみで自律性を有した仕組みが環境と相互作用しながら駆動する仕組みが出来上がることになる．スポンジの研究については，極めて応用範囲が広い．伸縮センサに応用した場合について考察していき，実応用について検討する．EHDを使ったデバイスについては，センシングとアクチュエーションを実現してきた．これらを活用した自己修復システムに挑戦する．SMAについて，機械学習との相性が良いことが明らかになっており，人と機械の親和性のある触覚デバイスを目指す．誘電エラストマーアクチュエータについて，大変形し低電圧化する手法を検討することで実用化を目指す．
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