革新的超薄MXene歪みセンサー、ロボットアームの精度と安全性を飛躍向上

シンガポール国立大学（NUS）の研究チームが、既存技術と比較して微小な動きを測定する際に10倍敏感な、ナノ材料歪みセンサーの新シリーズを開発し、産業用ロボットアームの安全性と精度向上への第一歩を踏み出しました。

MXeneと呼ばれるフレキシブル、伸縮性、導電性のナノ材料を使用して作製されたこれらの新しい歪みセンサーは、超薄型、電池不要、ワイヤレスでデータ伝送可能です。これらの望ましい特性により、新しい歪みセンサーは幅広い用途に潜在的に使用できます。

Chen Po-Yen助教は、「従来の歪みセンサーの性能は常にセンシング材料の性質によって制限されてきたため、ユーザーは特定の用途向けにセンサーをカスタマイズする選択肢が限られていました。この研究では、MXeneの表面テクスチャを制御する容易な戦略を開発し、さまざまなソフトエクソスケルトン向けに歪みセンサーのセンシング性能を制御できるようになりました。この研究で開発されたセンサー設計原理は、電子皮膚とソフトロボットの性能を大幅に向上させるでしょう。」と説明しています。

新しい歪みセンサーが有効活用できる分野の1つは精密製造です。ロボットアームがマイクロチップのような壊れやすい製品の製造など、複雑なタスクを実行する場面です。センサーをロボットアームに電子皮膚のようにコーティングすると、伸縮時に微細な動きを測定できます。アームの関節に配置すると、歪みセンサーによりシステムはロボットアームがどれだけ動き、静止状態に対して現在どの位置にあるかを正確に理解できます。市販の歪みセンサーには、この機能を果たすために必要な精度と感度がありません。

精密製造で使用される従来の自動ロボットアームは、さまざまな角度から向けられた外部カメラを必要とし、それらの位置と動きの追跡を助けています。これらの超高感度歪みセンサーは、視覚入力なしで位置と動きを追跡できるため、外部カメラの必要性を排除し、ロボットアームの全体的な安全性を向上させ、1度未満の誤差範囲で精密な動きの自動フィードバックを提供します。

技術的ブレークスルーは、研究者たちが広い作業ウィンドウで高信号対雑音比を持つ高度にカスタマイズ可能な超高感度センサーを作成できる製造プロセスを開発したことです。

センサーの作業ウィンドウは、センシング品質を維持しながらどれだけ伸ばせるかを決定します。また、高い信号対雑音比はより高い精度を意味し、センサーがロボットアームの微細な振動と微小な動きを区別できるようにします。

この製造プロセスにより、チームは0〜900%の間で任意の作業ウィンドウにセンサーをカスタマイズしながら、高感度と高信号対雑音比を維持できます。標準センサーは通常最大100%の範囲しか達成できません。異なる作業ウィンドウを持つ複数のセンサーを組み合わせることで、研究者たちは単一の超高感度センサーを作成でき、そうでなければ不可能なことが実現できます。

研究チームは、ソフトロボットリハビリグローブのソフトエクソスケルトンへのセンサー応用の動作プロトタイプを開発しました。センサーは患者の運動機能、特に可動域の面から感知する能力を付与します。これにより、ソフトロボットが患者の能力をより良く理解し、手の動きに必要な支援を提供できるようになります。

チームは現在、シンガポール総合病院と協力して、リハビリ用ソフトエクソスケルトンロボットと経口ロボット手術用手術ロボットへの応用を探っています。「外科医として、私たちは視覚だけでなく触覚にも頼って、体内で手術している領域を感じ取ります。例えば癌組織は正常な健康組織とは異なる感触です。長いロボットツールに超薄型ワイヤレスセンシングモジュールを追加することで、手が届かない領域に到達・手術でき、開腹手術なしで組織の硬さを潜在的に『感じ取れる』ようになります」とシンガポール総合病院のLim Chwee Ming医師は述べています。