国際的な科学者チームが、過剰な熱に反応して文字通り発汗するソフトロボットハンドを開発しました。この革新的なコンセプトは、ロボットの耐久性と耐久力を向上させるだけでなく、過酷な環境でも動作できるようにする可能性を秘めています。
汗をかいて体温を一定に保つソフトなロボットハンドが、本日Science Robotics誌に掲載された新たな研究テーマです。コーネル大学、Facebook Reality Labs、そしてイタリア・ピサのマイクロバイオロボティクスセンターの研究者によって開発されたこのロボットは、微細な孔から汗を放出することで体温を一定に保ちます。このコンセプトはまだ初期段階ですが、過熱のリスクなく長時間動作できる様々なロボットの実現につながる可能性があります。
実際、体温調節機能が不十分なロボットは、将来、内部部品の過熱や工場などの高温環境への投入などにより深刻な問題に直面する可能性があります。不適切な冷却戦略は、材料の耐久性と完全性、そしてロボット自体の性能に悪影響を及ぼす可能性があります。今回の研究の著者らは、発汗による驚異的な冷却力という生物学から直接着想を得た解決策を考案しました。
「発汗能力は、人間の最も注目すべき特徴の一つであることが判明しました」と、エンジニアであり、この新研究の共著者でもあるトーマス・ウォーリン氏は昨日行われた記者会見で説明した。「私たちは最速の動物ではありませんが、初期の人類は粘り強い狩猟者として成功を収めました。発汗、比較的体毛が少ないこと、そして直立二足歩行の組み合わせにより、長時間の追跡で獲物を肉体的に疲弊させることができました。」
ギズモードへのメールで、ワリン氏は、エリートマラソンランナーは適切な条件下では1時間で3.5リットル（0.93ガロン）の汗をかく可能性があると述べています。これは「約2.4キロワットのエネルギーに相当し、多くの家電製品の消費電力を上回る」と同氏は言います。水のエンタルピー（熱力学系におけるエネルギー量）が低いことに加え、蒸発は「物体の温度を周囲の環境よりも低くすることができる」とワリン氏は言います。伝導、対流、放射といった他の散逸プロセスは、「環境が体温よりも低い場合にのみ効果的」だとワリン氏はギズモードに語りました。
これらの考察に基づき、風船のようなロボットが開発されました。このロボットは、温度が一定の閾値を超えた場合にのみ水を漏らすように設計されています。このロボットを製作するために、研究者たちはハイドロゲル、具体的にはポリ-N-イソプロピルアクリルアミド（PNIPAm）と呼ばれる材料から作られた流体アクチュエータを3Dプリントしました。指のようなアクチュエータは下層に適量の水を保持し、水が満たされると熱を吸収します。上層には、水圧漏出を可能にする微細孔が設けられています。
PNIPAmは温度に反応するため、センサーなどの部品は必要ありません。温度が30℃（華氏86度）未満のときは細孔は閉じたままですが、それ以上になると微細孔が拡張し、加圧された流体が漏れ出します。
「私たちのデザインは、具現化された知能の一例です」とウォーリン氏はギズモードに語った。「漏れやすい骨格とは異なり、私たちの毛穴は温度変化に対する物質的な反応によって可逆的に開閉します。私たちのアクチュエータは、冷却が必要な時だけ汗をかきます。」
試験では、発汗ロボットにファンからの風を当てたところ、発汗しないロボットに比べて冷却率が6倍も向上しました。「これらの発汗アクチュエータの測定された体温調節性能は、最高の動物システムに見られる蒸発冷却能力をはるかに上回っている」と、著者らは研究の中で、人間と馬の両方について述べています。ロボットの指は、様々な加熱された物体を掴み、冷却することもできました。
「これは基礎研究です。しかし、将来、ロボットは高トルク密度のモーターとアクチュエーターを搭載し、断熱性のある柔らかい構造物に内蔵されることが分かっています」とワリン氏はギズモードに語った。この新しいソリューションは「最終的には、過熱することなく長時間動作できるロボットに搭載されるでしょう」と彼は述べた。
しかし、いくつかの限界も見られました。アクチュエータは濡れると滑りやすくなり、掴みにくくなる可能性があります。また、ロボットは液体を絶えず漏らしていたため、最終的には水が切れてしまいました。研究者たちは現在これらの問題の解決策を模索していますが、水不足の場合、将来のロボットは単に給水ステーションから水を「飲む」だけで済むようになるでしょう。
もう一つの問題は、予期せぬ漏れと効率の低下でした。
「発汗用のマイクロポーラスアクチュエータを開発することで、作動効率の低下が見られました」とワリン氏は述べた。「低温時でもマイクロポーラスから少量の汗が漏れ、作動を妨げていました。しかし、高温時に孔が開いた際に失われる水分量と比較すると、その量はごくわずかでした。」
しかし、最終的には、これはロボットを冷却するために、冷却ファンやラジエーターといったかさばり、重く、高価な内部部品が必ずしも必要ではないことを示す、優れた概念実証研究です。このソリューションは、ソフトロボットにとって理想的な物理的な柔軟性にも役立ちます。
研究者たちは、ロボットの問題に対する、まさに生命に似た解決策を偶然発見しました。私たちは発汗を、しばしば不快で悪臭を放つ生物学的必然と考えがちですが、この研究はそうではないことを示唆しています。汗を誇りに思ってください！これは自然工学の偉業です。
