| 研究課題/領域番号 |
22K04016
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
内木場 文男 日本大学, 理工学部, 教授 (60366557)
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| 研究分担者 |
中西 一義 日本大学, 医学部, 教授 (60403557)
金子 美泉 日本大学, 理工学部, 助教 (30755418)
粟飯原 萌 日本大学, 理工学部, 助手 (90824011)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | ロボティックス / ニューラルネットワーク / 人工脊髄IC / 筋骨格 / 歩行走行 / ヒューマノイド / 低消費電力 / 人工筋肉 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では，従来の制御系と駆動系を人間の脊髄と筋肉を工学的に模倣した人工脊髄ICと人工筋肉に置き換え，人間と同等の消費電力の20Wと下半身重量30kgの独自の歩行システムの実現を目指す。具体的には，これまでに研究開発したソフトウェアを用いない人工脊髄ICを歩行用に開発，また，形状記憶合金とエラストマを組み合わせた人工筋肉を適用することによって歩行と走行を切り替える２足歩行システムを実現する。
歩行・走行時に必要な筋が神経信号の入力に応じて一斉に協調して収縮をするという筋シナジー理論をベースに，時系列的に6神経パルスが発生し，各パルスが筋肉の収縮を促すことによって歩行と走行が実行される。歩行時には2パルス目が消滅し，走行時には3パルス目が，さらに，走行時にはパルス列の周期が短縮される。
当該年度は，初年度に当たり，歩行・走行を切替える人工脊髄の電子回路の開発を行い，シミュレーションとディスリート部品で構成した基板で，所定の信号を得た。また，システムの基本的な部分を実証するICの試作を実施した。ただし得られた信号は，片足の動作を意図したもので，両足の動作，また，システムとしての包括的なICの試作は今後実施する。
人工筋肉に関しては形状記憶合金とエラストマを組み合わせ，片足25個，合計50個の筋肉の設計と一部試作を行った。設計するにあたって，実際の1/2サイズで3DCADを用いて筋骨格を形成し，これに筋肉に見立てたアクチュエータを配置，動力学シミュレータを使って歩行・走行を実施し，各アクチュエータに発生する力と変位を求めた。筋シナジー理論と一致して，時間的に6分割できることが分かった。アクチュエータにかかる力が分かった一方で，どの筋肉が力を発生して，結果としてどの筋肉が力を受動的に力を受けるかということを切り分ける課題が残った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題においては，1.CPUの代わりとなる低消費電力人工脊髄ICの開発，2.サーボモータの代わりになる人工筋肉の開発，3.これらを用いて人間に近い筋骨格型２足歩行モデルの製作,それぞれについて実施した。
人工脊髄ICの開発においては，これまでに開発を行った人工脊髄ICをベースに，ニューロンを構成する細胞体回路にシナプス回路を結合することによって，Central Pattern Generator (CPG)の機能を作り出し，外部信号によってパルスパターンとパルス周期を変化する人工脊髄回路を回路シミュレーションで開発した。また，デスクリート部品によるボードレベルでの検証をした。ICは一部製作依頼をした。令和5年12月に人工脊髄ICの完成を目指す。
人工筋肉には片足25個，合計50個の筋肉を形状記憶合金とエラストマを組み合わせる設計とした。伸縮率の大きい螺旋状形状記憶合金を用い，また，エラストマと組み合わせ立体的な構造と安定した復元特性を得ることとして，いくつかの筋肉を作成し，購入した引張試験機を使い，筋肉としての必要特性の比較検討を行った。また，導入したシミュレータによって各筋肉の必要な応力ひずみ特性を導出することができた。令和5年12月までに片側25筋，システムで50筋の製作を予定する。
2足歩行システムは，人体を手本として2分の１サイズの下半身筋骨格を3Dプリンタで製作した。筋骨格に人工筋肉を配置して歩行モデルを製作する。筋肉と人工脊髄の間には電流波形をアンプで増幅し通電するが，単純なパルス波形ではなく，各パルスごとに筋肉を駆動する波形が必要になる。筋肉に与える波形・電流等をアクチュエータの特性を勘案して決定していく。ICと人工筋肉の進展を勘案しつつ，令和6年3月第1次，6月第2次試作，9月完了を予定する。
以上より，おおむね順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
1.CPUの代わりとなる低消費電力人工脊髄ICの開発,においては，これまでに片足を対象にして歩行と走行を切り替えるリズムパターンを生成する人工脊髄回路の開発ができたので，これを両足に拡張をして回路を開発する。また，歩行時に急遽動作を止める，あるいは，脚を引き込むような反射機能の再現も検討する。合わせて，ICの試作を実施する。ICの試作においては外部ファンドリを利用するが，いわゆる相乗りシャトルを利用するので，募集締め切りに合わせて設計を固めてゆく。
2.サーボモータの代わりになる人工筋肉の開発，においては，代表的な筋肉の製作を行い，アクチュエータとしての特性を評価したので，本研究で必要になる25筋に拡張を行う。ただし，必ずしもエラストマーの物性が適正ではないので，物性の合わせこみも検討をする。また，医学的な知見と突き合わせて，とくに立体的に作用する筋肉の応力ひずみ特性の再現を試みる。
3.人間に近い筋骨格型２足歩行モデルの製作,においては，これまでに３Dプリンタを用いて骨格モデルを作成し，代表的な筋肉を取り付けて，筋骨格歩行モデルの基本的な動きを確認した。このことを受けて，実際に歩行と走行に取り組む。歩行と走行の再現に当たっては，動力学シミュレータを用いて各人工筋肉が，どのパルスタイミングに合わせてどのような引張力を発生するのかを導出する。各筋肉の特性に合わせた電流をアンプを介して供給をして実際に歩行と走行をトライアンドエラーで実現していく。
以上の知見を持って国際学会での発表，論文投稿等を行い専門的な評価を仰いでいく。また，国際見本市などで展示紹介も計画する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初申請書で記載した時点では，ソフトウェア2点の予定であったが，交付金額が2点の購入には不足した。そこで1点，有限要素法を扱うAbacus SIMULIA Academic Research）を購入して，他の1点，動力学シミュレーションを扱うSimcenter LMSは，個人研究費で購入を行った。次年度使用額は主にこの差額によって発生した。また，分担者との間での実験，打合せ等をオンラインで代替したことにもよる。
次年度使用においては，人工筋肉製作部材費用に充てる。
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