MITの研究者、柔らかいアクチュエーターを備えたマイクロロボットを開発
ロボットに関しては、大きいほど良いとは限りません。いつの日か、昆虫サイズのロボットの群れが農作物の受粉をしたり、倒壊した建物の瓦礫の中から生存者を探したりできるようになるかもしれません。
マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、実証しました。昆虫のような機動性と安定性で飛行できる超小型ドローンで、最終的にはこうした任務を遂行できる可能性があります。
この超小型ロボットを動かす柔らかいアクチュエーターは非常に丈夫ですが、同じサイズの硬いアクチュエーターに比べてはるかに高い電圧を必要とします。軽量なロボットには、自力で飛行するために必要なパワーエレクトロニクスを搭載することができません。
研究者たちは、現行版より電圧を75%低く抑え、積載量を80%増やした柔らかいアクチュエーターを作ることができる製造技術を世界で初めて開発しました。これらの柔らかいアクチュエーターは、ロボットの羽を素早く羽ばたかせる人工筋肉のようなものです。
新しい製造技術により、欠陥の少ない人工筋肉を作ることが可能になり、部品の寿命が大幅に延び、ロボットの性能と積載量も向上します。
「これにより、将来的には超小型ロボットにパワーエレクトロニクスを組み込む道が大きく開けます。人々は、柔らかいロボットは硬いロボットほど高性能ではないと考えがちです。私たちは、重さ1グラム未満のこのロボットが、ホバリング飛行中の誤差を最小限に抑えながら最も長く飛べることを示しています。基本的な考え方は、柔らかいロボットは性能の面で硬いロボットを上回ることができるということです」
長方形の超小型ロボットには、それぞれ柔らかいアクチュエーターで動く4組の羽があります。これらの筋肉のようなアクチュエーターは、非常に薄い2枚の電極の間に挟まれたエラストマーの層で作られ、その後、柔らかい円筒状に巻かれています。アクチュエーターに電圧がかかると、電極がエラストマーを圧縮し、この機械的な応力が羽の羽ばたきに利用されます。
アクチュエーターの表面積が大きいほど、必要な電圧は小さくなります。チェンと彼のチームは、超薄型のエラストマー層と電極を可能な限り多く交互に重ねることで、これらの人工筋肉を作っています。エラストマー層が薄くなるにつれて、より不安定になります。
研究者たちは初めて、それぞれ厚さ10マイクロメートル（赤血球の直径とほぼ同じ）の20層を持つアクチュエーターを作ることに成功しました。ただ、そのためには製造工程の一部を一から考え直す必要がありました。
主な障害の一つは、遠心コーティングのプロセスでした。このコーティング方法では、エラストマーを平らな面に流し込み、高速で回転させます。すると遠心力が膜を外側へ引き伸ばし、より薄くなります。
「この工程では、エラストマーに空気が取り込まれ、無数の微小な気泡が生じます。気泡の直径はわずか1マイクロメートルなので、以前はこれを無視していました。しかし、層がどんどん薄くなると、気泡の影響はますます強くなります。だからこそ、人々は非常に薄い層を作ることができなかったのです。」
研究者たちは、遠心コーティングの直後、エラストマーがまだ湿っている間に真空処理を行うと、気泡が取り除かれることを発見しました。その後、エラストマーを焼いて乾燥させます。
チェンによれば、これらの欠陥を取り除くことで、アクチュエーターの出力は300%以上向上し、寿命も大幅に延びたということです。
研究者たちはまた、カーボンナノチューブで作られた薄い電極も最適化しました。カーボンナノチューブは、人間の髪の毛の直径の約5万分の1にあたる超強靭な炭素の束です。カーボンナノチューブの濃度を高めるとアクチュエーターの出力が上がり電圧は下がりますが、密な層には欠陥も増えます。
例えば、カーボンナノチューブは先端が鋭く、エラストマーを突き破ってデバイスをショートさせることがあります。何度も試行錯誤を重ねた後、研究者たちは最適な濃度を見つけました。もう一つの問題は硬化段階で発生します。層を重ねるほど、アクチュエーターの乾燥に時間がかかるのです。
「初めて学生に多層アクチュエーターを作らせたとき、彼は12層を重ねましたが、固まるまでに2日間待たなければなりませんでした。特に層を増やしたい場合には、これは到底受け入れられません。」
研究者たちは、カーボンナノチューブをエラストマーに転写した直後に各層を数分間焼成すると、層を追加しても硬化時間が短縮されることを発見しました。
この技術を使って20層の人工筋肉を作製した後、研究者たちは、以前の6層版および現行の硬いアクチュエーターと比較してテストを行いました。
引き離し実験では、動作に500ボルト未満しか必要としない20層アクチュエーターが、ロボットに3.7:1の揚力対重量比をもたらすのに十分な力を発揮しました。つまり、自重のほぼ3倍の物体を運ぶことができたのです。
また、20秒間のホバリング飛行も実証しました。ホバリングするロボットは、他のどのロボットよりも安定していました。20層のアクチュエーターは、200万回以上のサイクル後も故障せずに動作し続けました。これは他のアクチュエーターの寿命をはるかに上回ります。
「2年前、私たちは最大出力のアクチュエーターを作りましたが、ほとんど飛べませんでした。柔らかいロボットが硬いロボットと競争できるのだろうかと疑問に思い始めました。次々と欠陥が見つかりましたが、私たちは作業を続け、製造上の問題を一つずつ解決していきました。その結果、柔らかいアクチュエーターの性能は今や劣らず、現代の硬いものよりわずかに優れています。また、材料科学には、私たちがまだ理解していない製造プロセスが数多く残っています。そのため、作動電圧をさらに下げていけることを大変嬉しく思います。」
チェンは、MIT.nanoのクリーンルームでアクチュエーターを作製し、ナノ製造技術を活用するためにNiroui氏との協力を期待しています。現在、チームは空気中の塵と最大コーティング速度のために、層の薄さに限界があります。クリーンルームでの作業はこの問題を解消し、遠心コーティングよりも精密な手法を使うことを可能にします。
チェンは10マイクロメートルのアクチュエーター層の製造に熱意を注いでいますが、厚さを1マイクロメートルまで薄くすることを目指しています。それが実現すれば、昆虫サイズのこれらのロボットの多くの応用への扉が開かれるでしょう。
