電子回路不要の空気駆動ロボットが歩行を模倣

エンジニアたちは、一切の電子回路を必要としない四足ソフトロボットを作成しました。このロボットは、制御系と走行系を含むすべての機能に、加圧空気の恒常的供給源のみを必要とします。用途には、MRI装置内や鉱山坑道など、電子機器が機能しない環境で動作するロボットが含まれます。ソフトロボットは環境に容易に適応し、人間の近くで安全に動作できるため、特に注目されています。

ほとんどのソフトロボットは加圧空気で駆動され、電子回路で制御されます。しかしこのアプローチでは、回路基板、バルブ、ポンプなどの複雑なコンポーネントが必要で、しばしばロボット本体の外部に配置されます。これらはロボットの「脳」と「神経系」を構成しますが、通常大型で高価です。対照的に、新しいロボットは車載のチューブとソフトバルブで構成される軽量・低コストの気圧回路系で制御されます。ロボットは命令で、または環境から感知した信号に応じて歩行できます。

研究者へのQ&A

UCSDエンジニアのDylan Drotman氏がTech Briefsに、このタイプのロボットの用途と、歩行以上の可能性について語ります。

ロボットの演算能力は、脳ではなく脊髄からの神経反応によって駆動される哺乳類の反射を大まかに模倣しています。チームは、中央パターン生成器と呼ばれる動物の神経回路から着想を得ました。これは歩行や走行のようなリズミカルなパターンを生成して運動を制御する、非常にシンプルな要素で構成されています。発生器の機能を模倣するため、チームはオシレーターとして機能するバルブシステムを構築し、ロボットの四肢にある空気駆動筋肉への加圧空気注入順序を制御します。研究者たちは、ロボットの脚への空気注入を遅延させることで歩容を調整するコンポーネントを作りました。ロボットの歩容はセムシガメに着想を得ています。

ロボットにはシンプルな機械式センサーも装備されています。ロボット本体から突き出したブームの先端に配置された、流体で満たされた小さな柔らかい泡です。泡が押し込まれると、流体がロボット内のバルブを反転させ、方向を逆にさせます。ロボットにはインバーターとして機能する3つのバルブがあり、高圧状態が空気駆動回路を遅延を伴って伝播します。

ロボットの四脚それぞれは、3つの筋肉で駆動される3自由度を持ちます。脚は45度下向きに角度が付き、ベローズ付きの3つの平行連結気圧円筒室で構成されます。室が加圧されると、肢は反対方向に曲がります。結果として、各肢の3室が歩行に必要な多軸曲げを提供します。研究者たちは、各脚の室を対角線上でペアリングし、制御問題を簡素化しました。

ソフトバルブが肢の回転方向を反時計回りと時計回りで切り替えます。このバルブはラッチングダブルポールダブル스로ースイッチ（二入力四出力、各入力に二つの対応出力）として機能します。このメカニズムは、脳内で二つの神経の接続を入れ替えるようなものです。

研究者たちは、自然地形や不整地でも歩行できるようロボットの歩容改良を目指しています。これにはより高度なセンサーネットワークとより複雑な気圧システムが必要です。チームはまた、歩行など一部機能を気圧回路で制御し、高度な機能を従来の電子回路で扱う、ハイブリッドロボットの可能性も検討します。