植物

2023 年 6 月 5 日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Tech Explore

既存のロボット システムの多くは自然からインスピレーションを得ており、特定の目標を達成するために生物学的プロセス、自然の構造、動物の行動を人工的に再現しています。 なぜなら、動物や植物はそれぞれの環境で生存するのに役立つ能力を生得的に備えており、それが実験室環境以外でもロボットの性能を向上させる可能性があるからです。

Brain-Inspired Robotics (BRAIR) Lab、イタリアのサンタンナ高等研究所バイオロボティクス研究所、およびシンガポール国立大学の研究者らは、最近、非構造化現実世界におけるロボットアームの性能を向上させることができる植物からインスピレーションを得たコントローラーを開発しました。環境。 このコントローラーは、シンガポールで開催された会議 IEEE RoboSoft 2023 で発表された論文で紹介され、最優秀学生論文賞の最終候補に選ばれました。特に、ロボット アームが周囲の特定の場所や物体に到達するタスクを完了できるようにします。

「ソフトロボットアームは、タコの触手、象の鼻、植物などの『骨のない』生物が示す高度な操作能力からインスピレーションを得た、新世代のロボットマニピュレーターです」と、この実験を行った研究者の一人、エンリコ・ドナート氏は述べた。この研究はTech Exploreに語った。 「これらの原理をエンジニアリングソリューションに変換すると、スムーズな弾性変形を受けて柔軟で器用な動きを生み出すことができる柔軟な軽量素材で構成されるシステムが生まれます。これらの望ましい特性により、これらのシステムは表面に適合し、物理的な堅牢性と人体への安全性を示します。」潜在的に低コストで運用できます。」

柔らかいロボット アームは現実世界のさまざまな問題に適用できますが、硬いロボットではアクセスできない可能性のある目的の場所に到達することを伴うタスクの自動化に特に役立つ可能性があります。 多くの研究チームは最近、これらの柔軟なアームがこれらのタスクに効果的に取り組むことを可能にするコントローラーの開発を試みています。

「一般に、このようなコントローラーの機能は、ロボットの 2 つの動作空間、つまりタスク空間とアクチュエーター空間の間の有効なマッピングを作成できる計算定式化に依存します」と Donato 氏は説明しました。 「しかし、これらのコントローラーの適切な機能は一般に視覚フィードバックに依存しており、そのため実験室環境内での有効性が制限され、自然環境や動的な環境でのこれらのシステムの展開可能性が制限されます。この記事は、この未解決の制限を克服し、範囲を拡大する最初の試みです。これらのシステムを非構造化環境に移行します。」

ソフト ロボット アーム用の既存のコントローラーのほとんどは、主に実験室環境で良好に機能することが判明したため、Donato 氏と彼の同僚は、現実世界の環境にも適用できる新しいタイプのコントローラーの作成に着手しました。 彼らが提案したコントローラーは、植物の動きや行動からインスピレーションを得たものです。

「植物は動かないという一般的な誤解とは対照的に、植物は成長に基づいた移動戦略を使用して、ある点から別の点へ積極的かつ意図的に移動します」とドナト氏は述べた。 「これらの戦略は非常に効果的であるため、植物は地球上のほぼすべての生息地に定着することができますが、これは動物界にはない能力です。興味深いことに、動物とは異なり、植物の移動戦略は中枢神経系に由来するものではなく、むしろ洗練されたシステムによって生じます」分散型コンピューティングメカニズムの形式。」

研究者のコントローラーの機能を支える制御戦略は、植物の動きを支える高度な分散メカニズムを再現しようとします。 チームは特に、ボトムアップ構造で結合された分散型コンピューティング エージェントで構成される行動ベースの人工知能ツールを使用しました。

「私たちの生物から着想を得たコントローラーの新規性は、そのシンプルさにあり、ソフトロボットアームの基本的な機械的機能を活用して、全体的な到達動作を生成します」とドナート氏は述べた。 「具体的には、ソフト ロボット アームはソフト モジュールの冗長配置で構成されており、各モジュールは放射状に配置された 3 つのアクチュエータによって作動します。このような構成では、システムが 6 つの基本的な曲げ方向を生成できることはよく知られています。」

チームのコントローラーの機能を支えるコンピューティング エージェントは、アクチュエーター構成の振幅とタイミングを利用して、周回運動と屈光性として知られる 2 つの異なるタイプのプラントの動きを再現します。 旋回は植物で一般的に観察される振動ですが、光屈性は植物の枝や葉を光に近づける方向性の動きです。

Donato 氏と彼の同僚が作成したコントローラーは、これら 2 つの動作を切り替えることができ、2 段階にわたるロボット アームの連続制御を実現します。 これらの段階の最初は、アームが周囲を探索する探索段階であり、2 番目は、目的の場所またはオブジェクトに到達するために移動する到達段階です。

「おそらく、この特定の研究から得られる最も重要な点は、非常に単純な制御フレームワークを使用して、冗長ソフトロボットアームが実験室環境外の機能に到達できるようになったのはこれが初めてであるということです」とドナト氏は述べた。 「さらに、このコントローラーは、同様の作動構成を備えたあらゆるソフト ロボット アームに適用できます。これは、連続ロボットおよびソフト ロボットにおける組み込みセンシングおよび分散制御戦略の使用に向けた一歩です。」

これまでのところ、研究者らは、9 自由度 (9-DoF) のモジュール式ケーブル駆動の軽量で柔らかいロボット アームを使用して、一連のテストでコントローラーをテストしました。 このコントローラーにより、アームが周囲を探索し、過去に提案された他の制御戦略よりも効果的に目標位置に到達することが可能になったため、その結果は非常に有望なものでした。

将来的には、新しいコントローラーを他のソフトロボットアームに適用し、実験室と現実世界の両方の設定でテストして、動的な環境変化に対処する能力をさらに評価する可能性があります。 一方、ドナートと彼の同僚は、追加のロボットアームの動きや動作を生成できるように、制御戦略をさらに開発することを計画しています。

「私たちは現在、コントローラーの機能を強化して、ターゲット追跡や腕全体での絡みなどのより複雑な動作を可能にし、そのようなシステムが自然環境で長期間機能できるようにすることを検討しています」とドナト氏は付け加えた。

詳しくは： Enrico Donato 他、冗長連続ロボット アームでの到達を可能にするプラントからインスピレーションを得た動作ベースのコントローラー、2023 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft) (2023)。 DOI: 10.1109/RoboSoft55895.2023.10122017。

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