捜索救助任務から整形外科治療、その他多くの用途に至るまで、ソフト ロボットやウェアラブル電子デバイスは多くの分野で大きな可能性を示しています。しかし、それらを機能的かつ実用的に使用できるように設計することは困難であることが判明しています。

レベッカ・クレイマー・ボッティリオ教授の研究室では、研究者チームが元の形状を大幅に超えて伸びることができる複雑なエレクトロニクスを開発しました。さらに、このシステムはさまざまな用途に簡単に適応できます。結果彼らの作品は、サイエンスロボティクス。

伸縮性ロボットの分野では、デバイスの硬いコンポーネントと柔らかいコンポーネントの間のインターフェースによって妨げられることがよくあります。つまり、複雑な回路が必要ですが、現時点では硬すぎて柔らかいボディにしっかりと組み込むことができません。その結果、設計者はデバイスを外部回路基板と組み合わせることになり、デバイスの機能が犠牲になります。

この目的を達成するために、クレイマー・ボッティリオの研究室の研究者たちは、広く使用されているオープンソースのエレクトロニクス プラットフォームである Arduino の伸縮バージョンを開発し、ソフト ロボットに組み込みました。これらのデバイスは大幅に伸縮し、設計どおりに動作するだけでなく、拡張可能で簡単に再現できるように作成されています。

これは、大幅に拡張できることが実証されている最も複雑な回路であり、拡張性のためにコンピューティング能力を犠牲にしないソフト ロボットやウェアラブル デバイスの開発に向けた重要なステップです。

現在のほとんどのソフト ロボットは、堅固な Arduino スタイルのマイクロコントローラーによって制御されています。ロボットの柔らかい素材と硬い回路の不一致に対応するために、設計者は多くの場合、伸縮時の干渉が最小限になる場所に電子機器を配置しようとします。

しかし、クレイマー・ボッティリオ氏の研究室では、研究者らは回路の堅牢性を示すために特に高歪みの場所に回路を配置した。これにより、他のロボット工学者がデバイスを設計する際に、より大きな自由が得られます。研究者のデバイスには、硬いコンポーネントと柔らかいコンポーネントの間に 70 以上の接触点があり、それらはすべて適用およびテスト中に伸びました。

「私たちは製造プロセスで通常の障害を克服し、実際に多くの伸縮可能な Arduino を作成することができました」と、この研究の筆頭著者で博士号のステファニー・ウッドマン氏は述べています。クラマー・ボッティリオの研究室の学生。

これらは非常に伸縮性があり、元の形状から 3 ～ 4 倍伸びることが判明しました。

ジョン・J・リー機械工学・材料科学准教授のクレイマー・ボッティリオ氏は、「今回のデモン​​ストレーションは、機能的に限定された一回限りのショーケースから、堅牢で信頼性の高い複雑な多層伸縮回路への移行を示している」と述べた。

このプロジェクトでは、研究者らはシステムをアクセスしやすく、さまざまな用途に適用できるようにすることに重点を置きました。この方法の汎用性を実証するために、彼らはこの方法を応用して、人気のある Arduino Pro Mini の伸縮可能なバージョンのほか、Arduino Lilypad、Sparkfun Sound Detector、Sparkfun RGB、および Gesture Sensor を作成しました。また、この方法の開発において、広範な機器や材料、専門知識、回路設計の専門知識も必要なくなりました。

研究者らはガリウムベースの液体金属から始めました。この材料を塗装可能で使いやすくするために、液体金属をかき混ぜて酸素にさらしました。

「これにより、ペースト状になり、パターン化が容易になり、これらすべての柔らかい基板や硬い電気部品に強力に接着できるようになります」とウッドマン氏は述べた。

次に、この材料を、目的の回路パターンにレーザーカットされた紙で作られたマスク上にペイントしました。これにより、マスクを除去すると、回路コンポーネントを配置して層を封入できるようになりました。彼らの製造材料、方法、回路設計はすべてオープンソースであり、伸縮性エレクトロニクスを製造するプロセスは、この GitHub ページ。

このような伸縮可能な回路を開発したので、ロボット工学者にはそれを使用する方法がたくさんあります。

「私たちはそれをいくつかのソフトロボットに埋め込みました」とウッドマン氏は語った。「たとえば、ストレッチ中に四足ロボットのゲートを制御します。」彼女は、伸縮可能な電子機器がロボットの変形を妨げることはないと付け加えた。

ウェアラブル デバイス (たとえば、負傷した手足を補助するデバイス) も、別の用途です。

「私たちは回路を肘に直接配置し、それが伸びる様子を示しました」とウッドマン氏は述べ、肘はウェアラブルデバイスを適用するのに最も注意が必要な場所の1つであると付け加えた。

「したがって、私たちは本当に伸縮性のある回路を作成しているだけでなく、これが身体全体や体のユースケースに実際にどのように展開できるかを実際に示しています。ソフトロボット明日のこと。」