最近の研究によると、科学レポート, チューリング パターンを使用すると、ファブリックベースの軟空気圧アクチュエータ (FSPA) を設計および製造するための新しい方法を開発できます。

ファブリックベースのソフト空気圧アクチュエータ (FSPA) は、圧力がかかると変形したり移動したりする、柔軟で柔らかいデバイスです。膨張または収縮することで機能し、生地が曲げ、伸び、ねじれます。

ソフト ロボティクスは、柔軟性と適応性が非常に重要であるため、FSPA に依存することがよくあります。従来の硬いロボット部品とは異なり、FSPA は人間や繊細な物体と安全に対話できます。

FSPA は、その柔らかく軽量な性質により、ウェアラブル デバイス、適応型シェルター、ロボット グリッパー、補助装置などの用途に非常に適しています。その価値は、低コスト、安​​全性、柔軟性にあります。

ただし、FSPA の設計と製造は困難です。この課題は、研究チームによってプロセスの自動化によって解決されました。

このチームは、日本のトヨタ中央研究所の田中正人博士と野村剛博士、および米国のトヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカのユーヤン ソン博士で構成されていました。

Phys.org は、この研究を進める動機を共有する研究者に話を聞きました。

「この研究の背後にある動機は、特殊な材料や技術に依存せずに、単純な機構を使用して制御された動作を実行できる空気圧アクチュエータに対するソフトロボット工学コミュニティの認識されたニーズに由来しています。」と田中博士は述べました。

チューリングパターン

「私たちの目標は、形状モーフィング機能を実現するシンプルで低コストの FSPA を開発することでした。特に、チューリング パターンとして知られるアラン チューリングの形態形成理論をシステムに組み込むことに重点を置きました。デザインこれらの表面テクスチャのプロセス」と野村博士は言いました。

アラン・チューリングは 1952 年に形態形成理論を発表し、自然界のパターン (縞模様、螺旋など) が均一に分布した状態からどのように生じるかを説明しました。

「等方性反応拡散方程式からチューリングパターンを導き出すことができるアラン・チューリングの研究にインスピレーションを得て、我々は勾配ベースの配向最適化手法を採用してFSPAの表面膜を設計しました」とソング博士は述べた。

チューリング パターンは、反応コンポーネントと拡散コンポーネントを含むシステムから生じます。主な考え方は、相互作用する 2 つの物質があり、そのうちの 1 つは両方の促進を促進し、2 つ目は最初の物質を抑制または阻害するということです。

このフィードバック ループの結果、シマウマやトラに見られる縞模様のような、安定した繰り返しパターン、つまりチューリング パターンが形成されます。

試行錯誤

FSPA の設計における最大の課題は、適切な材料を見つけるために試行錯誤が必要なことです。

「従来の空気圧構造は通常、形状モーフィングを実現するために、ステッチラインなどの特定の幾何学的特徴を持つ等方性材料を使用します」と田中博士は説明しました。

均一な特性で知られる柔らかい等方性材料は、従来の FSPA で一般的に使用されています。これにより、圧力が加わったときに材料が均一に膨張または曲がることが保証されます。

ただし、制御され予測可能な方法で変形する材料を設計および製造するには、試行錯誤が必要であり、時間がかかる場合があります。研究チームの目的は、プロセスの自動化と最適化によってこれらの制限を回避し、ソフト ロボット アプリケーションでより高度で制御された動きを実現することでした。

「私たちは、これらの構造の表面膜を設計するために、勾配ベースの配向最適化手法を採用しています。この手法は、配向が自由に変化する可能性がある膜上に異方性材料を使用することを前提としているため、このような構造の製造は大きな課題となっています。」と博士は述べました。。 歌。

「私たちの研究は、チューリングパターンを利用して材料配向ベースの最適化設計と3Dプリンティングの間のギャップを埋めることで、この課題に取り組んでいます」と野村博士は付け加えた。

プロセスの自動化

FSPA は、アクチュエータの構築に使用される生地である材料と、圧力に応じて動作を実行するアクチュエータで構成されます。

彼らの方法の最初のステップは、材料の方向、つまり、柔軟な布地の繊維がアクチュエータの表面にどのように配置されるかを最適化することでした。

このために、彼らは非線形有限要素法を使用しました。最適化の後、方向のレイアウトがマテリアル上の特定のパターンに変換されました。

これらの特定のパターンは、研究者が使用した異方性反応拡散システムの数学的モデルから生成されました。このパターンは表面全体を満たし、材料が確実に希望通りに変形するようにします。

「これらの方程式を解き、最適化された材料異方性の分布に関する情報を組み込むことで、元の材料異方性に対応する異方性チューリング パターン テクスチャを生成しました」と田中博士は説明しました。

FSPA を製造するために、研究者らは熱接着と刺繍という 2 つの方法を検討しました。

熱接着では、ダイニーマなどの硬い生地を必要なチューリングパターンにレーザーカットし、熱プレスを使用して TPU フィルムなどの柔らかい生地に接着します。対照的に、刺繍技術では、硬い糸を使用して柔らかい生地にチューリングパターンを埋め込み、その結果、制御された動きを可能にする異なる剛性の領域が得られます。

「これらの製造方法が実証されたことで、これらの先進的なアクチュエータに拡張性とコスト効率の高い生産の可能性がもたらされました」と Song 博士は説明しました。

クラシックと比較してみると

研究チームは、彼らのデザインを古典的なシンプルなデザインと比較し、チューリングパターンのデザインは同等かつより優れたパフォーマンスを示しました。

C 字型設計の場合、チューリング パターンは従来の設計よりも効果的であることが証明され、アクチュエータのエッジ間の距離が約 10% 減少しました。

ひねる動きについては、チューリング パターンのデザインは古典的なデザインと同様に機能しました。しかし、S 字型の曲げを実現するのは従来は困難でした。

「私たちの方法は、最適化アプローチを使用して膜に印刷されたテクスチャパターンを設計することにより、単純な空気圧入力であらゆる動きを実現できます。」と野村博士は述べました。

研究チームによると、将来の研究では、チューリングパターン設計と形状記憶や電気活性ポリマーなどの最先端の材料を統合して、ダイナミクスを改善したアクチュエーターを開発することが検討される可能性があるという。

研究者らはまた、効率と精度の両方を向上させるために、柔軟な材料を使用した 3D プリンティングや自動製織などのアプローチを使用して、大量生産や大型アクチュエータに対応するための製造技術のスケーリングを探求することも予測しています。

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