ソフトロボティクス用の自己修復機能を持つ生合成タンパク質

Heat-assisted healing of TRn11 protein [1]
(論文[1]のSupplementary Video1より引用)

自己修復材料は、動的な実環境で動作するソフトアクチュエータやロボットには不可欠です。機械的および物理的な損傷を受けやすい環境にあればあるほど、こういった自己修復機能を持つ材料は非常に有用です。しかし、現在の自己修復材料には、低い治癒強度や長い治癒時間など、実用的な用途を制限する欠点があります。

ドイツのマックス・プランク研究所らの研究チームは、局所加熱により1秒以内にミクロおよびマクロスケールの機械的損傷を自己修復する高強度合成タンパク質を開発し、その成果をNature Materialsに寄稿しています。
これらの材料は、水素結合ナノ構造とネットワーク形態を改善するために体系的に最適化されており、他の天然および合成の軟質材料の数桁を超えるプログラム可能な治癒特性(1秒間の治癒後は2〜23 MPaの強度)を備えているそうです。

このような治癒性能は、バイオインスパイアード材料設計に新たな機会を生み出し、ソフトロボット工学および個人用保護具用の自己治癒材料における現在の制限に対処するとしています。

URL : https://www.nature.com/articles/s41563-020-0736-2

コマ送り撮影のための3Dプリントを組み合わせた顔アニメーション効率化手法

A System for Efficient 3D-Printed Stop-Motion Face Animation [1]

3Dプリンティングと組み合わせたコンピュータアニメーションは、従来のストップモーションアニメーションに良い影響を与える可能性があります。コンピュータアニメーションのすべてのフレームを3Dプリントすることを検討した場合、非常に遅く、高価であるため、3Dプリントされた効率的な組立部品のコンパクトライブラリを使用してアニメーションを忠実に再現できる場合にのみ、3Dプリントのストップモーションを実行できます。

トロント大学らの研究チームが、3Dプリントのストップモーションアニメーションで使用するための最適な交換部品のセットを生成するために、コンピューターアニメーションシーケンス(通常は顔)を処理する最初のシステムを提示し、その成果を2020年度のSIGGRAPHに寄稿しています。

問題は、3D印刷とアセンブリの量を最小限に抑えながら、入力アニメーションを最大限に近似するように、交換部品のライブラリと部品のアニメーションフレームごとの割り当てを出力することです。

現在のストップモーションワークフローに触発されて、ユーザーはモデルのどの部分がセグメンテーションに適しているかを手動で示し、メッシュを分割するための変形が最小の曲線を見つけます。次に、セグメントの境界に沿って変形をゼロにする新しいアルゴリズムを提示します。これにより、各パーツの交換セットを相互にシームレスにシームレスに組み合わせることができるそうです。パーツの境界は、3D印刷と組み立てのための計測を容易にするように設計されており、各パーツは、グラフカット技術を使用して独立して最適化されるそうです。

このアプローチは、ストップモーションアニメーションフィルムの印刷時間とコストを大幅に削減できるとしています。

URL : https://www.dgp.toronto.edu/projects/stop-motion-faces/

流体方程式に膜厚パラメータを導入した泡のアニメーションモデルに関する研究

A Model for Soap Film Dynamics with Evolving Thickness [1]

シャボン玉、フィルム、泡のアニメーションに関するこれまでの研究は、主に泡の表面の動きと幾何学的形状に焦点を当てていますが、通常、表面の渦、ニュートンの干渉パターン、毛細管波、フォーム内のフィルムの変形に依存した破裂などの視覚現象の原因となるバブルの厚さの変化を無視しています。

オーストリア科学技術大学らの研究チームが、流体の運動を記述する2階非線型偏微分方程式であり、流体力学で用いられるナビエ・ストークス方程式に自由度の減少として膜厚を導入し、それらの運動方程式を導出することにより、これらの自然現象をモデル化し、その成果を2020年度のSIGGRAPHに寄稿しています。

非多様体三角形メッシュサーフェス上の方程式を離散化し、それを既存のバブルソルバーに結合することで、2.5Dフィルム用の非圧縮性流体ソルバーと、非多様体表面接合部を横切る対流場のための新しい移流アルゴリズムを紹介しています。このシミュレーションは、薄膜の対流、波打つ、排出、および蒸発によって引き起こされる追加の効果を検証しているとしています。

URL : https://sadashigeishida.bitbucket.io/soapfilm_with_thickness/index.html

3D印刷可能な導電性ポリマー複合材料の開発と物性評価

Figure 1. マルチマテリアル3Dプリント技術を用いた導電性エラストマー [1]

人工皮膚や触覚センサーなどの柔らかく伸縮性のあるセンサーは、素材のコンプライアンスが低いため、多くの柔らかなロボットアプリケーションにとって魅力的です。導電性ポリマーは多くのソフトセンサーに必要なコンポーネントです。

カーネギーメロン大学らの研究チームが、3D印刷可能な導電性ポリマー複合材料を用いて、複合材料の3D印刷を行い、その物質における電気機械的特性を示し、成果をRoboSoftに寄稿しています。

犬の骨の形をしたサンプルは、デジタルライトプロセッシング(DLP)ベースの3Dプリンターを使用しているそうです。この技術で3D印刷可能な樹脂は、モノマー、架橋剤、導電性ナノフィラー、および光開始剤で構成されています。特性評価は、最初に、2つの異なる架橋剤の影響を異なる組成で調査し、次に、導電性ナノフィラーの濃度の影響を調査しています。以前の研究を参考にして架橋剤を選択し、導電性ナノフィラーとしてカーボンナノチューブ(CNT)を利用し、サンプルは3D印刷を行なった後、電気機械テストセットアップを使用して特性評価されています。

論文中で紹介しているアプリケーション事例として、3D印刷されたソフトロボットの有用性を示すために、導電性樹脂と非導電性樹脂の両方で構成される静電容量ベースのジョイスティックセンサーが3D印刷されています。

[1] : Kim, S., Kim, S., Majditehran, H., Patel, D. K., Majidi, C., & Bergbreiter, S. (2020, May). Electromechanical Characterization of 3D Printable Conductive Elastomer for Soft Robotics. In 2020 3rd IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft) (pp. 318-324). IEEE.

URL : https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9116027

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