触手ロボットは壊れやすい物体を優しくつかむことができます

ゲームセンターでクレーン ゲームをプレイしたことがある方なら、ロボット グリッパーを使って物体を掴んで保持するのがどれほど難しいかをご存知でしょう。 ぬいぐるみの代わりに、壊れやすい絶滅危惧種のサンゴや、沈没船から貴重な工芸品を掴もうとするとしたら、そのゲームがどれほど神経をすり減らすことになるか想像してみてください。

今日のロボット グリッパーのほとんどは、壊れやすい物体や不規則な形状の物体を掴むために、埋め込まれたセンサー、複雑なフィードバック ループ、または高度な機械学習アルゴリズムとオペレーターのスキルに依存しています。 しかし、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院（SEAS）の研究者らは、もっと簡単な方法を実証した。

彼らは自然からインスピレーションを得て、クラゲが気を失った獲物を集める方法と同じように、細い触手の集合を使用して物体を絡め取り、捕らえる新しいタイプの柔らかいロボットグリッパーを設計しました。 個々の触手またはフィラメントだけでは弱いです。 しかし、フィラメントの集合体を組み合わせることで、重くて奇妙な形状の物体をしっかりと掴んで保持することができます。 グリッパーは単純な膨張に依存して物体を包み込み、感知、計画、フィードバック制御を必要としません。

この研究は米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された。

「この研究により、私たちは物体とどのように対話するかを再考したいと思いました」と、SEASの元大学院生で博士研究員であり、論文の筆頭著者であるケイトリン・ベッカー氏は述べています。 「ソフトロボティクスの自然なコンプライアンスを利用し、コンプライアンスのある構造で強化することで、部品の合計よりも優れたグリッパーと、最小限の計画と認識でさまざまな複雑な物体に適応できる把握戦略を設計しました。 」

ベッカー氏は現在、MIT で機械工学の助教授を務めています。

グリッパーの強さと適応性は、掴もうとしている物体に絡みつく能力によって生まれます。 フィートほどの長さのフィラメントは中空のゴム管です。 チューブの片面にはもう片面よりも厚いゴムが付いているため、チューブに圧力がかかると、おさげのように、または雨の日に伸ばした髪のようにカールします。

カールは結び目で互いに絡み合い、物体と絡み合い、絡み合うたびに保持力が増します。 集団的な保持力は強力ですが、個々の接触は弱く、最も壊れやすい物体であっても損傷することはありません。 物体を解放するには、フィラメントを減圧するだけです。

オブジェクトの周りを包み込むグリッパーのフィラメントの拡大図。 (クレジット: ハーバード大学マイクロロボティクス研究所/ハーバード大学 SEAS)

多肉植物を包み込むグリッパー。 (クレジット: ハーバード大学マイクロロボティクス研究所/ハーバード大学 SEAS)

研究者らは、シミュレーションと実験を使用して、さまざまな観葉植物やおもちゃを含むさまざまな物体を持ち上げてグリッパーの有効性をテストしました。 このグリッパーは、現実世界のアプリケーションで使用して、農業生産および流通用の柔らかい果物や野菜、医療現場の繊細な組織、さらにはガラス製品などの倉庫内の不規則な形状の物体をつかむことができます。

この新しい把握アプローチは、絡み合ったフィラメントのトポロジー力学に関する L. マハデヴァン教授の研究と、ソフト ロボット グリッパーに関するロバート ウッド教授の研究を組み合わせたものです。

「絡み合いにより、柔軟性の高い各フィラメントが対象物体に局所的に適合することが可能になり、接触の性質の詳細とは比較的独立した安全かつ穏やかなトポロジカルな把握が可能になります」とローラ・イングランド・ド・ヴァルピーヌ教授の応用数学のマハデヴァン氏は述べた。 SEAS、生物進化生物学、FAS の物理学の担当者であり、この論文の共同責任著者でもあります。

「ロボットによる把持へのこの新しいアプローチは、複雑な制御戦略を必要とする単純な従来のグリッパーを、非常に単純な制御で動作できる極めて準拠性が高く、形態学的に複雑なフィラメントに置き換えることにより、既存のソリューションを補完します。」とハリー・ルイスとマーリン・マクグラス工学教授のウッド氏は述べています。 Applied Sciences およびこの論文の共同責任著者。 「このアプローチにより、ロボットグリッパーで掴める範囲が広がります。」