スタンフォード大学の研究者、ヤモリにヒントを得たロボットハンドを開発
スタンフォード大学は、ヤモリに着想を得たロボットハンドで長年にわたり大きな進歩を遂げてきました。2021年5月には、「ヤモリ式グリップ」のバージョンが国際宇宙ステーションに送られ、宇宙ゴミの回収や衛星の捕獲などの作業を行う能力が試験されました。
数多くのロボットハンドやクランプには共通の敵があります。研究者たちが「家宝のトマトの問題」と呼ぶものです。ロボットのグリッパーが卵を器用につかんだり、バスケットボールをうまく扱ったりする様子を見たことがあるかもしれません。しかし人間の手と違い、一つのグリッパーで両方をこなすことはほとんどできず、肝心の課題は中間に隠れたままです。
「ロボットの手は強い握りと精密な握りを見せ、その間にあるすべてのこともできると暗に示されることがあります。私たちは、器用さと強さを同時に備えたマニピュレーターをどう作るかを解決したいと考えました」
この目標の成果が「farmHand」です。これはRuotoloと、スタンフォード大学のバイオミメティクス・器用操作研究所（「ファーム」とも呼ばれる）の大学院生Dane Brauerのエンジニアチームが開発したロボットハンドで、その詳細はScience Roboticsに掲載された論文で説明されています。テストでは、farmHandが生卵、ブドウの房、皿、液体の入った水差し、バスケットボール、さらにはアングルグラインダーまで扱えることが示されました。
FarmHandは2種類の生物学的な着想を活用しています。多関節の指は、四本指ではあるものの人間の手に似ています。指にはヤモリに似た接着剤が塗られています。この粘着性がありながら粘つかない素材はヤモリのつま先の構造に基づいており、過去10年間に、Mark Kutkoskiの指導のもとバイオミメティクス・器用操作研究所で開発されました。Kutkoskiは工学部の教授で、この研究の筆頭著者でもあります。
多指の人型グリッパーにヤモリの接着剤を使うのは初めてのことで、farmHandの指を動かす腱と、接着剤の下にある指先パッドの設計に特別な注意が必要でした。
ヤモリのつま先と同様に、ヤモリの接着剤は微細な薄片によって強固な固定を実現します。表面に完全に接触すると、これらの薄片はファンデルワールス力を生み出します。これは分子の外側の電子位置のわずかな違いから生じる、弱い分子間力です。その結果、接着剤は強く密着できますが、そのためにはわずかな力しか必要ありません。もう一つの利点は、触っても粘つかず、跡も残さないことです。
「ヤモリの接着剤の初期の応用は、ロボットや人間の壁登り、あるいは宇宙での非常に大きく滑らかな物体の把持に関するものでした。しかし私たちは、より実用的な用途にも使えないかと常に考えてきました。問題は、ヤモリの接着剤が実はとても扱いにくいことです」
要点は、ヤモリの接着剤はファンデルワールス力を働かせるために、特定の方法で表面に接着しなければならない点です。平らな面に滑らかに塗布する場合は制御しやすいのですが、farmHandのように、異なる角度で物体に接触する複数の粘着部分を使って握る場合は、はるかに難しくなります。
接着部分の下にあるfarmHandの指先パッドは、この問題の解決に役立ちます。これらは折りたたみ式のリブ構造でできており、わずかな力で曲がります。接触位置や角度に関係なく、リブは常に曲がって粘着パッドに均等な力を与え、どれかが早期に滑るのを防ぎます。
「これらのリブをずらすと、どこから始めても同じ力で曲がります。これは単純な物理的挙動で、ロボット工学の枠を超えて、靴底やオフロードタイヤの溝などにも応用できる可能性があります」
腱も重要です。腱によって指を大きく伸ばした状態での締め付けが可能になるからです。多くのロボットハンドやクランプは、指先で何かを持ち上げるように「C」の字型に物体を挟みますが、farmHandは指先でパッドをつまみ、それを別のパッドに押し付けます。これにより、接着剤が働く表面積が大きくなります。
適切な設計にたどり着くのは特に困難でした。既存のコンピュータシミュレーションでは、柔らかい物体を扱う際の実際の性能を予測しにくいためです。これもロボットグリッパーの課題の一因です。しかし研究者たちは、多くの硬いまたは柔らかいプラスチック部品を比較的短いサイクルで3Dプリントしてテストできたことから大きな恩恵を受けました。彼らは、この成功は5年前であれば不可能だった、少なくとも今よりはるかに遅かっただろうとさえ示唆しています。
今後のfarmHandの改良では、ハンドを使用する際にどのように握っているか、どうすればより良く握れるかをユーザーが理解できるようフィードバック機能が追加される可能性があります。研究チームは、この研究の商業利用も検討しています。
