JP2015529567A

JP2015529567A - モジュラーソフトロボットのための装置、システム、および方法

Info

Publication number: JP2015529567A
Application number: JP2015523254A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・エイ・モリン; セン・ダブリュー・クウォック; ロバート・エフ・シェパード; ジョージ・エム・ホワイトサイズ
Original assignee: Harvard College
Current assignee: Harvard College
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2015-10-08
Also published as: EP3326766B1; EP2877325A2; EP2877325B1; WO2014015146A3; EP3326766A1; US10406698B2; WO2014015146A2; KR20150036697A; AU2013292508A1; US20150217459A1

Abstract

モジュラーソフトロボットを提供するための装置、システム、および方法が開示される。特に、開示されたモジュラーソフトロボットは、複数の成形可撓性単位を有する可撓性アクチュエータを備え得る。それぞれの成形可撓性単位が、別の成形可撓性単位に物理的結合を提供するように構成された機械的コネクタを備え得、それらの複数の成形可撓性単位が、埋め込み流体チャネルを形成するように配置される。そのモジュラーソフトロボットは、また、埋め込み流体チャネルに結合された入口を備え得、その入口は、加圧流体または減圧流体を受容し、可撓性アクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成され、それによって可撓性アクチュエータの作動を引き起こす。【選択図】図８

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１２年７月１８日に出願された「ＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳＦＯＲＭＯＤＵＬＡＲＳＯＦＴＲＯＢＯＴＳ」と題する米国仮特許出願第６１／６７３，０６８号の先の出願日の利益を主張する。本明細書に引用されるすべての特許、特許出願、および刊行物は、本明細書に記載の本発明の日付から、技術現状をその当業者に知られているものとしてより詳細に記載するために、それらの全体が本願への参照により本明細書に援用される。

［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
本発明は、米国国防総省の国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）によって授与認可番号Ｗ９１１ＮＦ−１１−１−００９４の下で米国政府の支援を受けて行われた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

骨格を有する動物に似ているロボットに対する多くのアプローチが、活発に開発されており、「ＢｉｇＤｏｇ」がその一例である。これらのロボットのほとんどは、いわゆる「硬質（ハード）」体プラン（つまり、強固な（通常金属）骨格、電気または油圧作動、電気機械的制御、センシング、およびフィードバック）を用いて構築される。ハードロボットは、それらが設計された仕事において非常に成功している。例えば、ハードロボットは、制御環境における重製造に有用である。しかし、これらのハードロボットは、ハードロボットが設計されてなかった特定の困難な仕事に直面されたときに、うまく作動し得ない。例えば、岩および傾斜を有する困難な地形において、トラックおよび車輪を有するハードロボットは安全に走行し得ない。

ハードロボットによって直面される課題のうちのいくつかは、ロボットの第２のクラス、つまり、骨格を有さない動物に基づくものによって対処され得る。ロボットの第２のクラスは、次のいくつかの理由のために、はるかに開拓されていない。つまり、ｉ）「海洋のような」生物は、例えば、（イカ）は、水の浮力の支援なしでは作動しない。ｉｉ）これらのシステムを作るのに必要な材料や構成部品は用いられ得ない。ｉｉｉ）それらにおいて使用される作動の主要な種類（例えば、漏水検出器）は、従来のロボット工学において実質的に用いられない。これらのシステムは、それらの機能と潜在的な用途においてハードボディのシステムとは本質的に非常に異なっている。それらが（それらの開発の少なくとも初期において）ハードボディのシステムよりも遅くなる一方、それらはまた、より安定して、よい軽量、かつより安価な制約された空間（割れ目、破片）を介して移動することがより良くできるようになる。

「ソフト」として記載され得る、ロボットまたはロボットアクチュエータは、それらの製造において用いられた材料、および作動のそれらの方法によって非常に容易に分類される。それぞれがその全体が参照によって本明細書によって援用される、Ｉｌｉｅｖｓｋｉらによる「Ｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０６１７２０号、Ｓｈｅｐｈｅｒｄらによる「Ｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒａｃｔｕａｔｏｒｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５９２２６号、およびＭａｚｚｅｏらによる「Ｆｌｅｘｉｂｌｅｒｏｂｏｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２２５９３号に開示されるように、例えば、ソフトロボットシステムは、その構造を構築するために、軟質エラストマー等の軟質物質、または紙、ナイロン織物、およびニトリル等の可撓性材料を用い得る。

残念ながら、ソフトロボットを構築するための過程は、困難かつ時間がかかる。さらに、その過程は、多くの場合、開発の初期段階で想定される特定の設計に合わせられ、後の段階で修正することが困難である。したがって、ソフトロボットを構築するための簡単で汎用性の高い技法を開発する技術の必要性がある。

ソフトロボットのモジュール化された設計が記載される。本開示のこれらと他の態様および実施形態は、以下に図解かつ記載される。

開示された実施形態のうちのいくつかは、モジュラーソフトロボットを含む。そのソフトロボットアクチュエータは、複数の成形可撓性単位（可撓性成形ユニット）（molded flexible units）を含む可撓性アクチュエータをであって、それぞれの成形可撓性単位が、別の成形可撓性単位に結合するように構成された機械的コネクタを備え、複数の結合された成形可撓性単位が、流体チャンバを画定するように配置される、可撓性アクチュエータと、流体チャネル（fluidic channel）に結合された入口であって、流体チャネルを加圧流体源または減圧流体源に結合して、可撓性アクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成される、入口と、を備え得る。

いくつかの実施形態では、それぞれの成形可撓性単位が雄側機械的コネクタと雌側機械的コネクタとを備え、第１の成形可撓性単位の雄側機械的コネクタが第２の成形可撓性単位の雌側機械的コネクタに結合するように構成される。

いくつかの実施形態では、雄側機械的コネクタがペグ（peg）を備え、雌側機械的コネクタが凹部を備える。

いくつかの実施形態では、機械的コネクタが、単一の横方向に沿って引っ張り歪み（tensile strain）に対する抵抗を提供するように構成された単一テーパ蟻継ぎ手（single taper dovetail joint）を備える。

いくつかの実施形態では、機械的コネクタが、２つの方向に沿って引っ張り歪みに対する抵抗を提供するように構成された二重テーパ蟻継ぎ手（double taper dovetail joint）を備える。

いくつかの実施形態では、成形可撓性単位のうちの１つが不均質材料（heterogeneous material）を含み、さらに、成形可撓性単位のうちの１つの上の機械的コネクタがその本体のものに比べてより剛性の材料（stiffer material）を用いて形成される。

いくつかの実施形態では、複数の成形可撓性単位が互いの上に積層され、可撓性アクチュエータを形成する。

いくつかの実施形態では、複数の成形可撓性単位のうちの１つ以上が穴を備え、穴が流体チャネルを形成するように整列される。

いくつかの実施形態では、複数の成形可撓性単位のうちのいくつかが互いに直交するように配置され、それにより立方体アクチュエータを形成する。

いくつかの実施形態では、機械的コネクタが成形可撓性単位の縁に沿って位置付けられ、成形可撓性単位のうちの少なくとも２つが、成形可撓性単位の縁に沿って位置付けられた機械的コネクタを用いて互いに結合される。

いくつかの実施形態では、複数の成形可撓性単位のうちの１つが、切断工具を用いて切断された成形ブロックの部分を含む。

いくつかの実施形態では、切断工具が、かみそりの刃、ナイフ、およびはさみのうちの１つを含む。

いくつかの実施形態では、複数の成形可撓性単位が第１の成形可撓性単位と第２の成形可撓性単位とを備え、第１の成形可撓性単位が第２の成形可撓性単位に比べて剛性が低く、流体チャネルの加圧または減圧の際に、第１の成形可撓性単位が第２の成形可撓性単位よりも拡張するように構成される。

いくつかの実施形態では、第１の成形可撓性単位および第２の成形可撓性単位が流体チャネルの側壁を備え、それによって加圧または減圧の際に拡張の方向および大きさの制御を提供する。

いくつかの実施形態では、第１の成形可撓性単位が第２の成形可撓性単位の上に積層され、それによって加圧または減圧の際に流体チャネルに沿って拡張の位置および大きさの制御を提供する。

いくつかの実施形態では、成形可撓性単位のうちの１つが正方形の形状を有する。

いくつかの実施形態では、ソフトロボットアクチュエータが、２つの成形可撓性単位間の気密結合を形成するための２つの成形可撓性単位間に接着剤を含む。

いくつかの実施形態では、接着剤がポリジメチルシロキサンプレポリマーを含む。

いくつかの実施形態では、接着剤が液体エコフレックスプレポリマーを含む。

いくつかの実施形態では、成形可撓性単位のうちの１つの一部が、加圧または減圧の際に膨張または収縮しないように構成される剛性の材料を含む。

開示された実施形態のうちのいくつかは、モジュラーソフトロボットを含む。そのモジュラーソフトロボットは、いくつかの実施形態に係る複数のソフトロボットアクチュエータと、複数のソフトロボットアクチュエータの入口に結合された流体入口であって、加圧流体または減圧流体を受容し、受容した流体を複数のソフトロボットアクチュエータの入口に提供して、複数のソフトロボットアクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成される流体入口と、を含む。

開示された実施形態のうちのいくつかは、ソフトロボットアクチュエータを構築する方法を含む。その方法は、物理的結合を別の可撓性基本単位に提供するように構成された機械的コネクタを備える複数の可撓性基本単位（可撓性基本ユニット）（flexible elementary units）を提供することと、複数の可撓性基本単位を配置して、埋め込み流体チャネル（embedded fluidic channel）を有する可撓性アクチュエータを形成することと、埋め込み流体チャネルに結合された入口を提供することであって、入口が、加圧流体または減圧流体を受容し、可撓性アクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成されることによって、可撓性アクチュエータの作動を引き起こすことと、を含む。

いくつかの実施形態では、機械的コネクタが雄側機械的コネクタと雌側機械的コネクタとを備え、第１の可撓性基本単位の雄側機械的コネクタが第２の可撓性基本単位の雌側機械的コネクタに結合するように構成される。

いくつかの実施形態では、雄側機械的コネクタがペグを備え、雌側機械的コネクタが凹部を備える。

いくつかの実施形態では、機械的コネクタが、単一の横方向に沿って引っ張り歪みを提供するように構成された単一テーパ蟻継ぎ手を備える。

いくつかの実施形態では、機械的コネクタが、２つの方向に沿って引っ張り歪みを提供するように構成された二重テーパ蟻継ぎ手を備える。

いくつかの実施形態では、成形可撓性単位のうちの１つが不均質材料を含み、さらに、成形可撓性単位のうちの１つの上の機械的コネクタがその本体のものに比べてより剛性の材料を用いて形成される。

いくつかの実施形態では、複数の可撓性基本単位を配置することが、可撓性基本単位のうちの１つを可撓性基本単位のうちの別の１つの上に積層して、可撓性アクチュエータを形成することを含む。

いくつかの実施形態では、複数の可撓性基本単位のうちの１つ以上が穴を含み、さらに、方法が穴を整列させて、流体チャネルを形成することを含む。

いくつかの実施形態では、複数の可撓性基本単位が第１の可撓性基本単位と第２の可撓性基本単位とを備え、第１の可撓性基本単位が第２の可撓性基本単位に比べて剛性が低く、流体チャネルの加圧または減圧の際に、第１の可撓性基本単位が第２の可撓性基本単位よりも拡張するように構成される。

いくつかの実施形態では、複数の可撓性基本単位を配置することが、流体チャネルの側壁として第１の可撓性基本単位および第２の可撓性単位を配置して、それによって加圧または減圧の際に拡張の方向および大きさの制御を提供することを含む。

いくつかの実施形態では、複数の可撓性基本単位を配置することが、第１の可撓性基本単位を第２の可撓性単位で積層することを含む。

いくつかの実施形態では、その方法は、２つの可撓性基本単位間の気密結合を形成するための２つの可撓性基本単位間に接着剤を提供することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、複数の可撓性基本単位を提供することが、切断工具を用いて、複数の可撓性基本単位のうちの１つを成形ブロックから切断することを含む。

開示された実施形態のうちのいくつかは、ソフトロボットアクチュエータを作動する方法を含む。その方法は、いくつかの実施形態に係るソフトロボットアクチュエータを提供することと、加圧流体または減圧流体をソフトロボットアクチュエータの入口に提供して、ソフトロボットアクチュエータの壁の拡張を引き起こし、それによってソフトロボットアクチュエータの作動を引き起こすことと、を含む。

本発明は、図解のみを目的として提示され、限定することを意図するものではない以下の図面を参照して説明される。

ある特定の実施形態に係るペグ／凹部コネクタを有する基本単位を図解する。いくつかの実施形態に係る、横方向コネクタを有する基本単位、およびこれらの基本単位がどのように結合されて、立方体アクチュエータを形成し得るかを図解する。いくつかの実施形態に係る曲がるソフトロボットを図解する。いくつかの実施形態に係る捻れるソフトロボットを図解する。いくつかの実施形態に係る伸びるソフトロボットを図解する。いくつかの実施形態に係る、硬い、剛性の構築ブロックを用いて設計または製造するのが困難な、汎用ソフトロボットの追加例を図解する。いくつかの実施形態に係る、異なる形状の基本単位を作成かつ使用する過程を図解する。いくつかの実施形態に係る、基本要素を用いたソフトロボットアクチュエータを形成するためのメカニズムを図解する。いくつかの実施形態に係る、異方性作動を示すように構成されたソフトロボットアクチュエータを図解する。いくつかの実施形態に係る、異方性ソフトロボットアクチュエータの別のクラスを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。いくつかの実施形態に係る、矩形基本単位から組み立てられたプリズム状アクチュエータを図解する。いくつかの実施形態に係る、十字形基本単位から組み立てられた十字形アクチュエータを構築する過程、およびその拡張特性を図解する。一実施形態に係る、コネクタを用いて２つ以上の立方体アクチュエータを結合することを図解する。別の実施形態に係る、コネクタを用いて２つ以上の立方体アクチュエータを結合することを図解する。更に別の実施形態に係る、コネクタを用いて２つ以上の立方体アクチュエータを結合することを図解する。更に別の実施形態に係る、コネクタを用いて２つ以上の立方体アクチュエータを結合することを図解する。更に別の実施形態に係る、コネクタを用いて２つ以上の立方体アクチュエータを結合することを図解する。いくつかの実施形態に係る、２つ以上の材料を有する基本単位を用いて組み立てられた立方体アクチュエータを図解する。いくつかの実施形態に係る多機能ソフトロボットを図解する。一実施形態に係る多チャンネルアクチュエータを図解する。別の実施形態に係る多チャンネルアクチュエータを図解する。更に別の実施形態に係る多チャンネルアクチュエータを図解する。更に別の実施形態に係る多チャンネルアクチュエータを図解する。一実施形態に係る、ローリングアクチュエータの組み立ておよびその動作を図解する。別の実施形態に係る、ローリングアクチュエータの組み立ておよびその動作を図解する。更に別の実施形態に係る、ローリングアクチュエータの組み立ておよびその動作を図解する。更に別の実施形態に係る、ローリングアクチュエータの組み立ておよびその動作を図解する。更に別の実施形態に係る、ローリングアクチュエータの組み立ておよびその動作を図解する。

試作ソフトロボットは、多くの場合、マスターモールド設計、マスターモールド設計に基づくマスターモールド製造、およびマスターモールドを用いたソフトロボット製造の３つの主要なステップを含む。最初の２つのステップであるマスターモールド設計および製造は、多くの場合、時間が係り、困難である。さらに、マスターモールドが設計／製造されると、マスターモールドを修正することは困難である。マスターモールドが明細書中の特定の変更に適応させるために変更される必要があるなら、新しいマスターモールドは、設計かつ製作される必要があり、それによりソフトロボット開発のためのターンアラウンドタイムをさらに増加させる。そのため、ソフトロボットを設計かつ試験することは、困難かつ時間がかかる仕事のままである。

本開示のいくつかの実施形態は、新しいソフトロボットの設計および試験を容易にすることを目的とした試作ソフトロボットのためのモジュール化メカニズムに関する。特に、任意の形状および機能のソフトロボットは、基本単位（基本ユニット）（elementary units）と呼ばれる、所定の形状のモジュールを組み立てることによってプロトタイプを製造され得る。様々な寸法および形状を有する組み立てられたロボットが、いくつかの基本形状を用いて作製され得るように、基本単位は、機械的に堅牢で、任意に気密なコネクタを用いて連動することが可能である。基本単位は、単一のマスターを用いて、軟質エラストマー材料から形成され得、それらは、固有の機能を備えた新しいソフトロボットを作成するために簡単かつ迅速に組み立てられ得る。これらの能力は、ユーザーが、新しいマスターを設計／製作する必要がまったくなしに、多くの異なるソフトロボットの設計、つまり、アクチュエータの様式、幾何学、および材料を迅速に調査することを可能にする。

基本単位は、基本単位が他の基本単位と接続または嵌合することを可能にする機械的特徴を備える可撓体である。いくつかの実施形態では、基本単位は軟質材料を用いて製造され得る。例えば、基本単位は、エラストマーを用いて製造され得る。これは、基本単位に、外力に応じて、可撓性を示し、かつ形状を変化させることを可能にする。以下に図解されるように、基本単位は、外力に応じて、曲げ、歪み、変形し、伸び、またはカールするように構成され得る。

いくつかの実施形態では、基本単位の可撓性は、基本単位内の空洞の大きさを制御することによって制御され得る。例えば、基本単位は、中実であってもよく、それによって基本単位の剛性を増加させるだろう。他の実施形態では、基本単位は空洞であり得、それによって基本単位の剛性を減少させるだろう。

いくつかの実施形態では、基本単位はブロックまたは平行六面体の形状である。平行六面体基本単位は、矩形直方体基本単位（６つの矩形面）、立方体基本単位（６つの正方形面）、および菱面体基本単位（６つの菱形面）を含み得る。いくつかの場合では、基本単位は薄くてもよい（つまり、基本単位の幅および長さは、基本単位の高さと比べて実質的に大きくし得る）。薄い基本単位は、大きな可撓性をソフトロボットに提供するように組み立てることができる。

基本単位の連動する機械的特徴は、多くの場合、雄コネクタおよび雌コネクタと称される凸部とそれらの相補的な空洞を含み得る。いくつかの場合では、凸部およびそれらの相補的な空洞は、それぞれ、平行六面体基本単位の上面および下面上に配置され得る。他の実施形態では、連動する機械的特徴は、基本単位の縁に沿って配置され得る。そのような横方向の連動する機械的特徴は、基本単位が横方向に別の基本単位に結合することを可能にする。機械的コネクタとも称される連動する機械的特徴は、隣接する単位の機械的コネクタと回転接続することが可能である。いくつかの実施形態では、基本単位間に形成された接続または継ぎ手は、気密封止を提供するように封止され得る。連動する機械的特徴は、ペグ／凹部ペア、単一蟻継ぎコネクタ、および二重蟻継ぎコネクタを含み得る。

いくつかの実施形態では、基本単位は、ソフトロボットを形成するために互いに組み立てかつ結合され得る。ソフトロボットは、所望の体積形状を形成するように配置される複数の基本単位を含み得る。いくつかの実施形態では、ソフトロボットは、複数の面を有する多面体として形成され得る。いくつかの場合では、多面体の体積のそれぞれの面は、１つ以上の基本単位を用いて形成され得る。他の場合では、多面体は、複数の基本単位を積層することによって形成され得る。さらに他の場合では、多面体は、２つの部分、つまり、複数の基本単位を積層することによって形成された第１部分と、横方向に基本単位を隣接することによって形成された第２部分とを含み、多面体の面の一部を形成し得る。

いくつかの実施形態では、基本単位を用いて組み立てられたソフトロボットは、加圧流体または減圧流体に応じて動くように構成されるアクチュエータであり得る。特に、ソフトロボットは、加圧流体または減圧流体を受容し得る流体チャネルを含み得る。いくつかの場合では、流体チャネルは、多面体の面によって形成された空洞を含み得る。例えば、１つ以上の基本単位は、中空多面体の面を形成し得、中空多面体の空洞は、多面体の流体チャネルを形成し得る。他の例では、流体チャネルは、基本単位における穴を整列させることによって形成され得る。例えば、ソフトロボットアクチュエータは、それぞれの基本ユニットが穴を含み得る複数の基本単位を積層することによって形成され得る。基本単位における穴を整列させることにより、穴は、加圧流体または減圧流体を受容し得る流体チャネルをまとめて形成し得る。穴の形状は、流体チャネルの断面の形状を決定し得る。基本単位における穴は、円形、正方形、矩形、多角形、星形、または流体チャネルの断面のための任意の他の所望の形状として形成され得る。

ソフトロボットアクチュエータの応答は、流体チャネルの幅を制御することによって制御され得る。流体チャネルの幅は、多面体の大きさ、基本単位の厚さ、または基本単位における穴の大きさを制御することによって制御され得る。

いくかの場合では、ソフトロボットが基本単位を用いて設計されると、固有のマスターは、最終製品としてのプロトタイプを直接複製するように作成され得る。モジュラーソフトロボット設計のこの特性は、特定の用途または仕事に合わせたソフトロボットの設計を劇的に改善し得る。様々な異なるエラストマー構造を組み立てるために用いられ得る異なる基本単位を製造するために１つのモールドを用いる能力は、特に、設計リソースが限られている状況か、ロボットが正確に定義された仕様なしに、多くの準備なしに製造されなければならないときに、有益である。開示された実施形態は、専門の機器（例えば、３Ｄプリンタ）へのアクセス権を有さないかもしれない多くの集団（例えば、研究者、学者、技術者）が、新しいソフトマシンを設計し、それらのプロトタイプを製造し、それらを開拓することを可能にする。

図１は、いくつかの実施形態に係る、平行六面体またはブロック構築単位内に凸部および相補的な空洞を有するソフト基本単位を図解する。図１（Ａ）において、左図は、基本単位１００の上面１２０上の単一の凸部１１０をおよびその単位の下面１４０上の単一の相補的な形状の凹部１３０を備える基本単位１００の斜視図を示し、右図は、基本単位１００の断面図１５０を示す。その単位と凸部と空洞の高さと幅のための例示的な寸法が図示されているが、これらの寸法は図解のためのものであり、大きさの範囲は、予想される試作および使用される任意の成形技術の限界に応じて用いられ得る。基本単位の機械的特徴は、それを別の基本単位に物理的に結合し得る。

いくつかの実施形態では、基本単位における機械的特徴は、雄コネクタとして機能する円柱状ペグ、および他の基本単位で円柱状ペグコネクタと嵌合するように設計された円柱状凹部を含み得る。円柱状ペグは、図１（Ａ）に図解されるように、直接円柱状凹部の上にあり得、それによりその２つの基本単位は、一方を他方の上に直接積層することが可能となるが、これは必須ではない。

本開示では、ペグとの面は正の面と呼ばれ、凹部と反対側の面は負の面と呼ばれる。ペグ／凹部の軸は、図１（Ａ）の左図内の縦矢印によって表される。円柱状断面として図解されているが、凸部および凹部は、正方形、楕円形、または矩形の断面等の任意の幾何学を有し得る。いくつかの場合では、基本単位は、機械的特徴の２つ以上の集合を有し得る。図１（Ｂ）は、機械的コネクタの２×３の配列を有する基本単位１６０を図解する。

図１（Ｃ）は、２つの基本単位がいくつかの実施形態に従い組み立てられ得る様々な方法を図解する一連の写真である。上の写真は、凸部１７０（左ブロック）の上部の２×３の配列および空洞１８０（右ブロック）の下部の２×３の配列を示す２つの同一の基本単位（着色を除く）を示す。残りの写真は、２×３の基本単位の２つの配列を一緒に接続するために用いられ得るペグ１７０／凹部１８０の一部または全部を図解する。スケールバーは、１ｃｍで、パネル内のすべての画像によって共有される。基本単位を組み立てる際に、基本単位は、可撓性材料を用いて形成されるため、基本単位のペグ１７０は、他の基本単位の凹部１８０に圧搾し得る。いくつかの実施形態では、基本単位は中空であってもよい。ただし、中空にされた場合、基本単位は特定の用途にはあまりにも可撓性になるだろう。したがって、他の実施形態では、基本単位は中実であってもよい。

いくつかの実施形態では、基本単位はソフトロボットに組み立てられ得る。ソフトロボットは１つ以上の基本単位を含み得る。いくつかの場合では、ソフトロボットは、基本単位を互いの上に積層することによって形成され得る。他の場合では、ソフトロボットは、以下に説明するように横方向に基本単位に隣接して形成され得る。いくつかの場合では、ソフトロボット内の２つ以上の基本単位は、同一の形状を有し得る。

いくつかの実施形態では、ソフトロボットは、加圧流体または減圧流体を用いて作動され得る。例えば、ソフトロボットは、加圧流体または減圧流体を受容し得る流体チャネルを含み得、ソフトロボットは、加圧流体または減圧流体を受容することに応じて作動され得る。いくつかの場合では、流体チャネルは、基本単位の配置によって形成された空洞を含み得る。以下にさらに開示されるように、他の場合では、流体チャネルは、積層された基本単位内の穴によって形成され得る。

いくつかの実施形態では、基本単位における機械的特徴は、横方向に配置されたコネクタを含み得る。横方向のコネクタは、基本単位を横方向に結合し得る。図２（Ａ）〜図２（Ｇ）は、いくつかの実施形態に係る、横方向コネクタを有する基本単位、およびこれらの基本単位がどのように結合されて、立方体アクチュエータを形成し得るかを図解する。

横方向のコネクタは、単一テーパ蟻継ぎ手、二重テーパ蟻継ぎ手、およびペグ／凹部継ぎ手を含み得る。図２（Ａ）は、いくつかの実施形態に係る、単一テーパ蟻継ぎ空洞２１０（上部）およびその嵌合ピン２２０（下部）を有する単一テーパ蟻継ぎ手の概略図を図解し、図２（Ｂ）は、いくつかの実施形態に係る、単一テーパ蟻継ぎ空洞２３０（上部）およびその嵌合ピン２４０（下部）を有する二重テーパ蟻継ぎ手の概略図を図解し、図２（Ｃ）は、いくつかの実施形態に係る、ペグ２５０（上部）および凹部２６０（下部）を有するペグ／凹部継ぎ手の概略図を示す。

単一テーパ蟻継ぎ手は、単一テーパ蟻継ぎ空洞２１０（つまり、雌側単一テーパ継ぎ手）およびその嵌合ピン２２０（つまり、雄側単一テーパ継ぎ）を含み得る。空洞２１０は、２つの隣接する尾部２３０、２４０によって形成され得る。雄側単一テーパ蟻継ぎ手２２０は、機械的連動によって雌側単一テーパ蟻継ぎ手２１０に結合されるように構成され得る。単一テーパ蟻継ぎ手は、単一の横方向に沿って２つの基本単位の間の嵌合（または引っ張り歪みに対する抵抗）を提供し得る。例えば、平面に平行に配置された第１の基本単位が平面に垂直に配置された第２の基本単位に結合されるとき、第１の基本単位は、平面に沿って第２の基本単位の移動を制限し得る。例えば、嵌合ピン２２０および尾部２３０、２４０は、単一の相補的なテーパ角によって画定される。

二重テーパ蟻継ぎ手は、二重テーパ蟻継ぎ空洞２３０（つまり、雌側二重テーパ蟻継ぎ手）およびその嵌合ピン２４０（つまり、雄側二重テーパ蟻継ぎ手）を含み得る。空洞２３０は、２つの隣接する尾部２５０、２６０によって形成され得る。雄側単一テーパ蟻継ぎ手２４０は、機械的ロックによって雌側単一テーパ蟻継ぎ手２３０に結合されるように構成され得る。二重テーパ蟻継ぎ手は、二重テーパ蟻継ぎ手における表面の形状に基づいて、二方向において引っ張り歪みに対する抵抗を提供し得る。ピンおよび尾部は、また時には特性角と称される２つの相補的なテーパ角を有する。特性角は、二重テーパ蟻継ぎ手が引っ張り歪みに対する抵抗を提供する方向を決定し得る。特に、二重テーパ蟻継ぎ手は、両方の部分の直交方向に沿って力に抵抗し得る。尾部２５０、２６０がピン２４０によって「把持」されるのと同じように、ピン２４０は、尾部２５０、２６０によって「把持」されるだろう。

二重テーパ蟻継ぎ手の形状が、２つの硬質材料に基づく二重テーパ蟻継ぎ手が、二重テーパ蟻継ぎ手を壊すことなく互いに結合することができないようなものなので、この二重テーパ蟻継ぎ手は軟質材料でのみ実現可能である。二重テーパ蟻継ぎ手が２つの特性角を有しているので、ピン２４０は、尾部２５０、２６０の中にまたは外へ容易には滑動しない。換言すれば、ピン２４０および尾部２５０、２６０は、雄側二重テーパ蟻継ぎ手を雌側二重テーパ蟻継ぎ手に圧搾することによってのみ嵌合し得るように、成形される。

ペグ／凹部継ぎ手は、ペグ２５０および凹部２６０を含み得る。ペグ／凹部継ぎ手は、２つの基本単位の間の嵌合を提供し得、凹部２６０の幅がペグ２５０の幅よりも僅かに小さいなら、ペグ／凹部継ぎ手は、一方向に引っ張り歪みに対する抵抗を提供し得る。

いくつかの実施形態では、基本単位は１種類の継ぎ手を含み得る。いくつかの実施形態では、基本単位は２種類以上の継ぎ手を含み得る。例えば、基本単位の一方の縁は、単一テーパ蟻継ぎ手を含み得、同じ基本単位の別の縁は、二重テーパ蟻継ぎ手を含み得る。

いくつかの実施形態では、横方向コネクタを有する基本単位は、立方体ソフトロボットを構築するために用いられ得る。図２（Ｄ）は、いくつかの実施形態に係る立方体ソフトロボットを組み立てるために用いられた基本単位の上から見た図である。いくつかの実施形態では、立方体ソフトロボットは、立方体の縁制約に起因する２つ以上の独特な基本単位を用いて構築され得る。立方体の基本単位は、単一テーパ蟻継ぎ手または二重テーパ蟻継ぎ手を含む、任意の種類の横方向コネクタを用い得る。いくつかの実施形態では、立方体ソフトロボット用の基本単位は、ポリジメシルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｉｌｓｉｌｏｘａｎｅ）（ＰＤＭＳ）を用いて製造され得る。図２（Ｅ）は、どのように立方体アクチュエータが３種類の基本単位を用いて組み立てられ得るかを図解する。１つの面の向きが矢印２７０で付される。図２（Ｆ）〜図２（Ｇ）は、異なる視点からの、完全に組み立てられたＰＤＭＳ立方体ロボットを図解する。

横方向コネクタは、単一テーパ蟻継ぎコネクタ、二重テーパ蟻継ぎコネクタ、またはペグ／凹部コネクタに限定されるものではない。特定の機械的特性が異なる種類の横方向コネクタの使用に起因して変化し得る一方、モジュラーソフトロボットの基本概念および能力は、用いられるコネクタの種類に関わらず同じままであろう。

いくつかの実施形態では、基本単位は、単一の大きなマスターモールドを用いて製造され得る。例えば、大きなマスターモールドは、マスターユニットと呼ばれる基本単位の９×６の矩形の配列を作成するために用いられ得、マスターユニットは、異なる形状および寸法の基本単位を形成するために切断され得る。その可撓性に起因して、マスターユニットは、かみそりの刃、ナイフ、またははさみ等の単純で、安価な工具を用いて切断され得る。マスターユニットを切断することにより、任意の寸法および形状の基本単位を作成する能力は、基本単位用の軟質材料を用いることの固有の利点である。

いくつかの実施形態では、マスターユニットは、単一材料を用いて製造されて、均質マスターユニットを形成し得る。他の実施形態では、大きなマスターモールドは、不均質マスターユニットを作成するために異なる材料の層で充填され得る。いくつかの場合では、不均質マスターユニットは、本体のものと比べて異なる機械的特性を有するコネクタ（つまり、マスターユニットの残り）を有し得る。特に、コネクタは、本体に比べてより剛性の材料を用いて構築され得る。例えば、マスターユニットのコネクタは、ＰＤＭＳを用いて形成され得、マスターユニットの残りは、エコフレックス等のエラストマーを用いて形成され得る。基本単位のそのような組成物は、一緒に基本単位を融合（または接着）する必要性がなく、繰り返しサイクルに亘って簡単な、信頼できる接続を可能にし得る。

図３〜６は、いくつかの実施形態に係るソフト基本単位の機能的能力を図解する。ソフト基本単位は、硬い構築ブロックとでは実現可能ではない様々な動きや構造に適応させ得るソフトロボットを形成するように組み立てられ得る。特に、ソフト基本単位を用いるソフトロボットは、硬い構築ブロックとでは実現可能ではない、曲げ、捻れ、伸び、またはモーフィングに適応させ得る。これらの図は、機械的コネクタが本体に比べて僅かに剛性の材料から作製された複合基本単位を有するソフトロボットを図解する。例えば、基本単位の機械的コネクタは、僅かに剛性のＰＤＭＳから作製され、基本単位の本体は、高伸張性のエコフレックスから作製された。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、いくつかの実施形態に係る曲がるソフトロボットを図解する。図３（Ａ）は、千鳥状に基本単位を積層することによって形成された曲がるソフトロボットの層を示す。曲がるソフトロボットの層は、突出基本単位３１０、および他の２つの突出基本単位３３０と３４０との間に形成されたボイド３２０を含み得る。突出基本単位３１０が、単位３１０、３３０、３４０上のコネクタを用いて、２つの突出基本単位３３０、３４０に連動するように、曲がるソフトロボットの層は、基本単位の可撓性性質を活用して、巻き付けられ得る。図３（Ｂ）〜図３（Ｃ）は、他の種類の基本的な基本単位を用いて構築された曲がるソフトロボットの他の例を図解する。基本単位の可撓性性質は、ロボットの設計者が、基本的な基本単位を用いて様々な形状と機能を有するソフトロボットを構築することを可能にする。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、いくつかの実施形態に係る捻れるソフトロボットを図解する。いくつかの場合では、捻れるソフトロボットは、２種類の基本単位４１０、４２０を接続することによって構築され得る。図解において、捻れるソフトロボットは、コネクタの１×９の配列を有する１０個の矩形基本単位４１０、およびコネクタの２×４の配列を有する１つの矩形基本単位４２０を含む。捻れるソフトロボットは、２層に１×９の基本単位４１０を千鳥に配列して、底に２×４の基本単位４２０を結合することによって形成され得る。図４（Ａ）は、捻れるソフトロボットをその弛緩状態（つまり、０度の捻れ）で示す。この捻れるソフトロボットは、いくつかの実施形態に係る図４（Ｂ）〜図４（Ｃ）に図解されるように、その捻れるロボットの中心軸に沿って捻られ得る。

図５（Ａ）〜図５（Ｂ）は、いくつかの実施形態に係る伸びるソフトロボットを図解する。いくつかの場合では、伸びるソフトロボットは、基本単位５１０を接続することによって構築され得る。伸びるソフトロボットは、図５（Ａ）に図解されるように、１×９の基本単位５１０を２層に千鳥に配列することによって形成され得る。それぞれの基本単位が柔軟かつ可撓性なので、図５（Ｂ）に図解されるように、伸びるソフトロボットは、ロボットのそれぞれの端部に加えられる横方向の引っ張り力に応じて伸張し得る。

図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、いくつかの実施形態に係る、硬い、剛性の構築ブロックを用いて設計または製造するのが困難な、汎用ソフトロボットの追加例を図解する。図６（Ａ）は、基本単位が柔軟かつ可撓性であるため、基本単位が不均一な高さで積層され得ることを示す。例えば、図６（Ａ）は、バンプ６１０を備えるロボットを示す。しかし、バンプ６１０は、隣接する基本単位６２０、６３０がバンプ６１０を収容するように曲がり得るので、何も問題を生じない。図６（Ｂ）は、基本単位が柔軟かつ可撓性であるため、メビウスの細長い一片は、基本単位を積み重ね、それらをそれらの中心軸に沿って捻り、細長い一片の両端を結合することによって形成され得ることを示す。図６（Ｃ）は、ペグ／凹部の軸に直交する軸の周りで基本単位を曲げることによって、二重アーチ構造が作成され得ることを示す。この二重アーチ構造は、基本単位の持続的な結合なしに荷重を支持し得る。したがって、図３〜６は、ソフト基本単位が、様々な特性の構造を構築するための独特かつ望ましい手段を提供することを図解する。

図７（Ａ）〜図７（Ｈ）は、いくつかの実施形態に係る、異なる形状の基本単位を作成かつ使用する過程を図解する。ソフト基本単位の汎用性のため、基本単位は矩形配列に切断される必要がない。その代わりに、基本単位は、任意の形状に切断され、剛性の構築ブロックでは不可能である様々な三次元構造に組み立てられ得る。例えば、図７（Ａ）〜図７（Ｂ）は、点線を用いて図解されるように、螺旋状に切断されるように構成されるマスターユニットの上から見た図を図解する。点線は切断跡を示す。結果として生じる基本単位は、螺旋状基本単位と呼ばれる。図７（Ｃ）〜図７（Ｄ）は収納状態における螺旋状基本単位を図解し、図７（Ｅ）〜図７（Ｆ）は展開状態における螺旋状基本単位を図解する。螺旋状基本単位は、剛体ブロックでは可能ではない特定の構造を構築するために用いられ得る。例えば、図７（Ｇ）〜図７（Ｈ）は、それぞれ図７（Ｃ）〜図７（Ｄ）の螺旋状基本単位を用いて構築された構造を図解する。

いくつかの実施形態では、基本単位は、組み立てられて、加圧流体または減圧流体に応じて動くように構成されるソフトロボットアクチュエータを形成し得る。特に、ソフトロボットは、加圧流体または減圧流体を受容し得る流体チャネルを含み得る。いくつかの場合では、流体チャネルは、多面体の面によって形成された空洞を含み得る。例えば、１つ以上の基本単位は、中空多面体の面を形成し得、中空多面体の空洞は、多面体の流体チャネルを形成し得る。

図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、いくつかの実施形態に係る、基本要素を用いたソフトロボットアクチュエータを形成するためのメカニズムを図解する。図８（Ａ）に図解されるように、ソフトロボットアクチュエータは、コネクタの１×４の配列を有する１２個の矩形基本単位８１０、およびコネクタの５×５の配列を有する２つの矩形基本単位８２０を含む。図８（Ｂ）に図解されるように、これらの基本単位は、図８（Ｂ）に図解されている様に、立方体アクチュエータを構築するために、５層において組み立てられ得る。例えば、２つの５×５の基本単位８２０は、立方体アクチュエータの上面８３０および底面８４０を形成し、上面８３０および底面８４０は、３層の１×４の基本単位を挟むように配置されており、それによってその３層の１×４の基本単位によって形成された外壁と共に立方体アクチュエータを形成する。結果として生じる構造は、加圧または減圧用の流体チャネルとして機能し得る中間のボイド空間（つまり、空洞）を有する。

図８（Ｃ）〜図８（Ｅ）は、それぞれ、休止状態、加圧状態、減圧状態における立方体アクチュエータの形状を示す。その休止状態において、立方体アクチュエータは、立方体として、図８（Ｂ）に従って形成される。加圧流体または減圧流体は、図８（Ｃ）〜図８（Ｅ）に図解されるように、流体入口８５０を介して、立方体の空洞に提供され得る。図８（Ｄ）に図解されるように、ボイド空間が流体入口８５０を介して加圧されるとき、立方体アクチュエータは膨張し得、図８（Ｅ）に図解されるように、ボイド空間が流体入口８５０を介して減圧される（つまり、負に加圧される）とき、立方体アクチュエータは収縮し得る。いくつかの実施形態では、ボイド空間は、流体入口８５０を空気ポンプに結合することで、外部に加圧または減圧され得る。いくつかの実施形態では、流体入口８５０は、狭くなり得、立方体アクチュエータを形成する壁は可撓性であり得る。このように、外部圧力が印加されていないとき、空気圧チャネルがロックされる（例えば、閉じられる。）

いくつかの場合では、アクチュエータの基本単位間の気密接続を形成することが望ましいこともあり得る。例えば、基本単位を用いて構築されたモジュラーソフトロボットの特定の部分が流体チャネルを含むとき、基本単位間の間隙に起因して、流体チャネルまたは流体チャネルへの空気の流入からの空気の漏れを制限することが望ましい。いくつかの実施形態では、基本単位間に気密接続は、物理的に基本単位を一緒に結合する膠状物質を用いて形成され得る。膠状物質は、液体ＰＤＭＳプレポリマーまたは液体エコフレックスプレポリマーであり得る。

図８（Ｃ）〜図８（Ｅ）に図解されるように、すべての基本単位がエコフレックス等の同じ材料から作製されているとき、立方体アクチュエータは、加圧の際に回転楕円体に拡張するように構成される。いくつかの実施形態では、モジュラーソフトロボットは、加圧に起因する拡張の方向および大きさが制御されるように設計され得る。拡張の方向と大きさは、異なる歪み特性（つまり、異なるヤング率）を有する基本単位を用いてロボットを構築することによって制御され得る。

図９（Ａ）〜図９（Ｅ）は、いくつかの実施形態に係る、異方性作動を示すように構成されたソフトロボットアクチュエータを図解する。異方性立方体アクチュエータは、異なる材料から作製されている基本単位を用いて構築され得る。図９（Ａ）に図解されるように、図解の異方性立方体アクチュエータは、エコフレックス等の軟質エラストマーに基づく基本単位、およびＰＤＭＳ等の比較的剛性の材料に基づく基本単位等を用いて、構築され得る。この特定の例では、異方性立方体アクチュエータは、６つの１×４のソフト基本単位９１０、１つの５×５のソフト基本単位９２０、６つの１×４のより剛性の基本単位９３０、および１つの５×５のより剛性の基本単位９４０を用いて構築される。

図９（Ｂ）は、いくつかの実施形態に係る異方性立方体アクチュエータにおける基本単位の配置を図解する。この場合、ソフト基本単位９１０は、別のソフト基本単位９１０に面しており、より剛性の基本単位９２０は、別のより剛性の基本単位９２０に面している。したがって、加圧の際に、ソフト基本単位９１０を備える２つの側面は、より剛性の基本単位９２０を備える他の２つの側面よりも拡張することになる。同様に、減圧の際に、ソフト基本単位９１０を備える２つの側面は、より剛性の基本単位９２０を備える他の２つの側面よりも収縮ことになる。また、最上層９５０は、ソフト基本単位９３０を用いて形成され、底層９６０は、より剛性の基本単位９６０を用いて形成される。したがって、加圧の際に、最上層９５０は、底層９６０よりも拡張するように構成される。同様に、減圧の際に、最上層９５０は、底層９６０よりも収縮するように構成される。より剛性の基本単位は、歪み制限基本単位とも称され得る。

図９（Ｃ）〜図９（Ｅ）は、それぞれ、休止状態、加圧状態、減圧状態における異方性立方体アクチュエータの形を示す。その休止状態において、異方性立方体アクチュエータは、立方体として、図９（Ｂ）に従って形成される。加圧流体または減圧流体は、流体入口９７０を介して、立方体の空洞に提供され得る。図９（Ｄ）に図解されるように、ボイド空間が流体入口９７０を介して加圧されるとき、立方体アクチュエータは膨張し得、図９（Ｅ）に図解されるように、ボイド空間が流体入口９７０を介して減圧される（つまり、負に加圧される）とき、立方体アクチュエータは収縮し得る。相対的な剛性における違いのために、ソフト基本単位を備える側面が歪み制限基本単位を備える側面よりも拡張または収縮し、それによって異方性拡張または収縮を提供し得る。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｅ）は、いくつかの実施形態に係る、異方性ソフトロボットアクチュエータの別のクラスを図解する。図１０（Ａ）に図解されるように、図解の異方性立方体アクチュエータは、エコフレックス等の軟質エラストマーに基づく基本単位、およびＰＤＭＳ等の比較的剛性の材料に基づく基本単位等を用いて、構築され得る。この特定の例では、異方性立方体アクチュエータは、８つの１×４のソフト基本単位１０１０、４つの１×４のより剛性の基本単位１０２０、および２つの５×５のより剛性の基本単位１０３０を用いて構築される。

図１０（Ｂ）は、いくつかの実施形態に係る異方性立方体アクチュエータにおける基本単位の配置を図解する。この場合では、基本単位の単層は、単一の種類の基本ユニットを含む。例えば、アクチュエータの層２はソフト基本単位１０１０を単に備え、アクチュエータの層３はより剛性の基本単位１０２０を単に備え、最上層１０４０および底層１０５０はより剛性の基本単位１０３０を単に備える。したがって、加圧の際に、ソフト基本単位１０１０を備える層は、より剛性の基本単位１０２０を備える他の層よりも拡張し、それによって異方性拡張を提供することになる。同様に、収縮の際に、ソフト基本単位１０１０を備える層は、より剛性の基本単位１０２０を備える他の層よりも収縮し、それによって異方性収縮を提供することになる。

図１０（Ｃ）〜図１０（Ｅ）は、それぞれ、休止状態、加圧状態、減圧状態における異方性立方体アクチュエータを示す。その休止状態において、異方性立方体アクチュエータは、立方体として、図１０（Ｂ）に従って形成される。加圧流体または減圧流体は、流体入口１０６０を介して、立方体の空洞に提供され得る。図１０（Ｄ）に図解されるように、ボイド空間が流体入口１０６０を介して加圧されるとき、立方体アクチュエータは膨張し得、図１０（Ｅ）に図解されるように、ボイド空間が流体入口１０６０を介して減圧される（つまり、負に加圧される）とき、立方体アクチュエータは収縮し得る。相対的な剛性における違いのために、ソフト基本単位を備える側面が歪み制限基本単位を備える側面よりも拡張または収縮し、それによって異方性拡張または収縮を提供し得る。

基本単位を構築するために用いられ得る材料の一覧は、広範囲に亘り、ラテックス、ウレタン、ポリウレタン、シリコーン、加硫または架橋ゴム等のエラストマー、紙、ケブラー（商標名）、綿、ナイロン、カーボン等の織物を包含する。材料の組み合わせの例示的な一覧が表１に示される。歪みリミッタの弾性率における増加する差と共に、同じチャネル材料に対する曲がり度合いが、例えば、歪み制限層におけるより大きい偏向またはより小さい曲率半径等のように増加する場合に、それぞれの組み合わせは、作動時に様々な程度の屈曲を備える。他の材料および材料の組み合わせは、当業者には明らかであろう。

基本単位のための材料の選択は、モジュラーロボットの内部チャネルに印可された圧力に対するモジュラーロボットの応答を決定し得る。作動スケールの特定の振幅を達成するのに必要な圧力は、材料の剛性と共にスケールを変更する。それぞれの組み合わせは、作動時に、曲げにおける異なる動作を提供し、つまり、同じチャネル幾何学に対してエラストマーと歪み制限織物（または層）との間の弾性率における増加する差と共にその曲げが増加する。材料の選択の効果は、２つのシリコーンエラストマー（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇのＳｙｌｇａｒｄ１８４）およびＥｃｏｆｌｅｘ００−３０（Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ製造のシロキサンｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍｏｏｔｈ−ｏｎ．ｃｏｍ）に関して実証され、その理由は、それらが容易に利用でき、作業が容易で、互いによく接着して多層構造を形成し、比較的安価であるからである。しかし、他の好適な材料の組み合わせは、容易に明らかであろう。ＰＤＭＳは、透明であり、５０のショアＡ硬度を有する。それは、弾性があり、繰り返し屈曲に耐え得るが、１５０％の最大歪みを超えて折れる。結果として、ＰＤＭＳは、限られた範囲の変形を有し、構造のより強固な部品、つまり、曲がるが伸びない部品に好適である。表１に記載されるように、ＰＤＭＳは、紙等のより剛性の材料と組み合わせて、可撓性成分として用いられ得る。エコフレックスシリコーンは、半透明で、ショアＡスケール未満の硬度を有する。それは９００％の最大歪みを超えて折れ、それはＰＤＭＳよりも可撓性で、したがって、より大きな歪み／変位（つまり、作動の層）を有する成分に好適である。それは非常に柔軟であるため、エコフレックスシリコーンは、支持されていないなら、自重で（ＰＤＭＳでは、はるかに少ない）曲がる。ＰＤＭＳとエコフレックスのシリコーンの層を含む複合構造体は、所望の機能のためにエコフレックスシリコーンの可撓性でＰＤＭＳの剛性の釣り合いを取る。

他の実施形態では、代替材料は、基本単位の製造のために有用である。より剛性の材料として紙、織物、炭素、ガラス、または金属繊維を用いた複合材料が可能である。他の実施形態では、剛性は、補強剤を基本単位に導入することにより、基本単位に導入される。他の実施形態では、基本単位は、その剛性を増大させるために化学的に処理され得る。例として、エラストマー可撓性ポリマーは、ポリマー前駆体溶液で含浸され得、それは、次に所定のパターンに硬化されて、より剛性のポリマーを形成する。

図１１Ａ〜１１Ｇは、また、加圧に起因する拡張の方向と大きさが、異なる歪み特性を有する基本単位を用いて制御し得ることを図解する。この図において、いくつかの実施形態に係る図２に関して開示されているように、立方体アクチュエータは、横方向コネクタを有する基本単位を用いて構築される。この例では、立方体のアクチュエータは、単一テーパ蟻継ぎコネクタを有する６つの基本単位を含む。図１１Ａ〜１１Ｇにおけるそれぞれの図は、それぞれの基本ユニットに用いられた材料（ＰＤＭＳはハッチングを施されており、エコフレックスは白色である）を図解する概略図を含む。負圧下のアクチュエータは、写真の左列に示され、正圧下のアクチュエータは、写真の右列に示される。それぞれの図は、アクチュエータの正面の写真および底部のアクチュエータの側面の写真を示す。目盛りについては、立方体の縁はすべて４．５ｃｍである。作動は、約１．５ｐｓｉの（大気に対しての）正圧または約−１．５ｐｓｉの（大気に対しての）負圧を用いて達成された。

図１１Ａは、すべての基本単位が同じ材料（例えば、エコフレックス）から作製されるとき、立方体アクチュエータの拡張が等方性であることを示す。しかし、図１１Ｂ〜１１Ｇは、立方体アクチュエータの拡張がいくつかの基本単位の材料を変更することによって、異方性にならされ得ることを図解する。これは、加圧アクチュエータまたは減圧アクチュエータの形状が、基本単位のために用いられる材料の種類の機能であることを図解する。

組み立てられたアクチュエータは、矩形形状に限定されるものではない。いくつかの実施形態では、任意の形状を有するソフトロボットは、矩形基本単位から組み立てられ得る。図１２（Ａ）〜図１２（Ｅ）は、いくつかの実施形態に係る、矩形基本単位から組み立てられたプリズム状アクチュエータを図解する。図１２（Ａ）に図解されるように、プリズム状アクチュエータは、コネクタの１×３、１×４、１×５、および１×６の配列を有する矩形基本単位から組み立てられ得る。図１２（Ｂ）に図解されるように、基本単位は、それぞれの層が一辺が欠落した正方形である層に組み立てられ得る。図１２（Ｃ）に図解されるように、層は、壁の一辺が欠落した正方形柱１２１０を形成するために積み重ねられ得る。次いで、図１２（Ｄ）に図解されるように、柱１２１０は、曲げられ、２層１２２０、１２３０の間に挟まれ、矩形基本単位を用いて形成され得る。このステップは、ソフト基本単位を用いてのみ実行され得、その理由は、硬いブロックが、異なる形状の層１２２０、１２３０の上に嵌合するように曲げられ得ないからである。図１２（Ｅ）は、加圧の際のプリズム状アクチュエータの拡張張特性を図解する。

いくつかの実施形態では、任意の形状を有するソフトロボットは、任意の形状を有する基本単位から組み立てられ得る。図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、いくつかの実施形態に係る、十字形基本単位から組み立てられた十字形アクチュエータの構築する過程、およびその拡張特性を図解する。図１３（Ａ）は、十字形アクチュエータに用いられる基本単位を示す。十字形アクチュエータは、所望の形状（この場合、十字形）を有する２層１２１０および２４個の矩形基本単位１２２０を含み得る。図１３（Ｂ）に図解されるように、矩形基本単位１２２０は、所望の形状を有する層１２３０を形成するように配置され得、図１３（Ｃ）に図解されるように、層１２３０は、最上層と底層１２４０との間に挟まれ、それによって十字形アクチュエータを形成し得る。図１３（Ｄ）は、加圧の際の十字形アクチュエータの拡張特性を図解する。

いくつかの実施形態では、任意形状のアクチュエータにおける１つ以上の基本単位は、より剛性の材料から作製され、それによって、それぞれ加圧または減圧の際に拡張または収縮の方向を制御し得る。例えば、図１３（Ｄ）に図解されるように、十字形アクチュエータは、加圧の際に横方向に拡張するように構成されるが、アクチュエータの最上部またはアクチュエータの底部にまで拡張するようには構成されず、その理由は、最上層と底層がアクチュエータの側面と比べてより剛性の材料から作製されているからである。

いくつかの実施形態では、複数のアクチュエータは、複雑なソフトロボットを構築するために接続され得る。図１４Ａ〜１４Ｅは、いくつかの実施形態に係る、コネクタを用いて２つ以上の立方体アクチュエータを結合することを図解する。図１４Ａは、互いに結合されることになる２つのアクチュエータ１４１０、１４２０を図解する。２つのアクチュエータ１４１０、１４２０は、中間に位置付けられた凹部コネクタ１４３０に結合し得るペグコネクタを有する。組み立てられたシステムは、図１４Ｃの左図に図解される。これら２つのアクチュエータ１４１０、１４２０は、空気圧ラインを介して加圧され得る。空気圧ラインは、立方体アクチュエータ１４１０、１４２０の内部ボイド領域（つまり、空洞）に圧力を提供するためのルアーロックコネクタを含み得る。図１４Ｃの左図は、アクチュエータが加圧されているときの組み立てられたソフトロボットの形状を図解する。アクチュエータ１４１０、１４２０の加圧状態は、図１４Ｂにおける表記を用いて図解され得る。図１４Ｂに図解されるように、正方形のボックスは、アクチュエータが加圧されていないことを図解し、十字の付けられたボックスは、アクチュエータが負圧であることを図解し、円を含む正方形のボックスは、アクチュエータが正圧であることを示す。いくつかの実施形態では、ロボット内の１つ以上のアクチュエータは同時に作動され得る。他の実施形態では、ロボット内のそれぞれのアクチュエータは独立して作動され得る。したがって、複雑な動きを提供することが可能であるロボットは、基本単位を用いて形成されたいくつかのアクチュエータを結合することによって容易にプロトタイプを製造され得る。

図１４Ｄは、いくつかの実施形態に係る、３つのアクチュエータから構成された塔を図解する。左から右へ、上から下へ進行し、塔は、負圧を用いて崩され、正圧を用いて元の原寸に拡張される。塔は、ペグ／凹部コネクタ等の機械的コネクタを用いて、ガラス基材１４４０に固定された。図１４Ｅは、いくつかの実施形態に係る、その基材がＰＤＭＳ内に製造されたコネクタを用いて互いに固定されたこれらの３つの立方体アクチュエータのラインを図解する。上から下へ進んで、その組み立ては、アクチュエータに印加された正圧を用いてアーチに屈曲され、アクチュエータに印加された負圧を用いてラインに戻して収縮される。

いくつかの実施形態では、基本単位は２つ以上の材料を含み得る。図１５（Ａ）〜図１５（Ｅ）は、いくつかの実施形態に係る、２つ以上の材料を有する基本単位を用いて組み立てられた立方体アクチュエータを図解する。図１５（Ａ）は、立方体に対する基本単位を示す立方体の概略図を図解する。いくつかの実施形態では、基本単位の縁はＰＤＭＳを用いて形成され、基本単位の中心はエコフレックスを用いて形成される。図１５（Ｂ）〜図１５（Ｃ）に図解されるように、これらの基本単位は、立方体アクチュエータを形成するために組み立てられ得る。図１５（Ｂ）〜図１５（Ｃ）は、無加圧のアクチュエータの斜視図および側面図を図解する。立方体が負圧で作動されると、図１５（Ｄ）に図解されるように、立方体の形状はそれに応じて変化する。ＰＤＭＳがエコフレックスに比べてより高い剛性を有するので、ＰＤＭＳ部分が無傷のまま、エコフレックス部分は立方体内に吸引される。立方体が正圧で作動されると、図１５（Ｅ）に図解されるように、立方体の形状はそれと異なって変化する。ＰＤＭＳがエコフレックスに比べてより高い剛性を有するので、ＰＤＭＳ部分が無傷のまま、エコフレックス部分は立方体構造から膨張させられる。

いくつかの実施形態では、モジュラーソフトロボットは、異なる材料から作製されているモジュールを含み得る。図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は、いくつかの実施形態に係る多機能ソフトロボットを図解する。図１６（Ａ）は、多機能ソフトロボットの構成部品を示す。多機能ソフトロボットは、ハブおよびアクチュエータを含み得る。ハブが熱可塑性物質等の剛性材料から作製され得る一方、アクチュエータは、エコフレックス等の１つ以上の軟質材料から作製され得る。図１６（Ｂ）は、ハブおよびアクチュエータを用いて完全に組み立てられたソフトロボットを図解する。図１６（Ｃ）に図解されるように、完全に組み立てられたロボットは、１つ以上のアクチュエータを加圧することによって作動させられ得る。いくつかの実施形態では、アクチュエータは、同一の空気圧源に結合され得、他の実施形態では、アクチュエータは、別個の、独立した空気圧源を分離するために結合され得る。

図１７Ａ〜１７Ｄは、いくつかの実施形態に係る多チャンネルアクチュエータを図解する。図１７Ａは、多チャンバアクチュエータに用いられる基本単位を図解する。図１７Ｂ〜１７Ｃに図解されるように、２つの中実の基本単位１７１０は、多チャンバアクチュエータの最上層および底層を形成し得、これらの基本ユニット１７１０は、穴を何も含まず、穴を有する基本単位１７２０は、中間層を形成し得る。中間層１７２０内の穴１７３０は、作動のために流体チャネルを形成するように整列され得る。いくつかの実施形態では、最上層および底層を形成する穴の無い基本単位１７１０は、穴を備えた中間層を形成している基本単位１７２０と比べてより剛性の材料から作製され得る。

図１７Ｄは、多チャンバアクチュエータの様々な作動モードを図解する。ブロック流体チャネルは加圧され、白い流体チャネルは加圧されない。流体チャネルのうちの１つ以上は、所定の方向に所定の大きさでアクチュエータを曲げるために加圧され得る。例えば、左上の流体チャネルが作動されるとき、アクチュエータは、アクチュエータの反対側に向かって曲がるだろう（例えば、図１７Ｄ−ｉ）。別の例として、最上流体チャネルの両方が作動されるとき、アクチュエータは下向きに曲がるだろう（例えば、図１７Ｄ−ｉｉの右上の図）。

いくつかの実施形態では、流体チャネルのうちの２つがアクチュエータの中心軸を挟んで対向するように、多チャネルアクチュエータ内の流体チャネルは、互いに対して位置付けられ得る。また、いくつかの実施形態では、アクチュエータ内の流体チャネルは、アクチュエータの中心軸から等距離であり得る。そのような構成は、多チャンネルのアクチュエータをローラとして作動させ得る。

図１８Ａ〜１８Ｅは、いくつかの実施形態に係る、ローリングアクチュエータの組み立ておよびその動作を図解する。図１８Ａは、ローリングアクチュエータがより剛性の材料の２層１８１０および軟質材料の３層１８２０を含み得ることを示す。１つ以上の流体チャネルが穴を整列させることによって形成され得るように、３層１８２０は穴を含み得る。図１８Ｃに図解されるように、層は積層され得、図１８Ｄに図解されるように、ローリングアクチュエータを作成し得る。中間層１８２０内の穴が整列されるため、ローリングアクチュエータは４つの流体チャネルを含む。

図１８Ｅは、いくつかの実施形態に係るローリングアクチュエータの動きを図解する。空気圧チャネルのうちの１つを作動させることにより、アクチュエータの一部は、地表面に対して膨張され得、それが次に全体のアクチュエータのために転動を提供する。いくつかの実施形態では、２つの隣接する流体チャネルは、転動の大きさを向上させるために連続的に加圧され得る。

上に図解されるように、モジュラーソフトロボットは、異なる剛性を有するエラストマーの容易な組み合わせを可能にし得る。この能力を用いて、形状変化特性を有する様々なエラストマー構造が作製され得る。これらの形状変化特性は、他の技術を用いて実現することが困難であり得る。さらに、モジュラーソフトロボットは、圧力レベルが休止状態から高圧状態に変化されるように多様な形状を作成することを可能にする。したがって、単一の構造は、単に圧力を制御し、構造に用いられる材料を制御することにより、静止状態と膨張状態との間の様々な形状を可能にし得る。これは、モジュラーソフトロボットが複雑な形状を製造するための機能的なモールドとして用いられ得ることを意味する。例えば、これらの構造の内部または外部の壁を被覆することにより、任意の所望の圧力状態で、モジュラーソフトロボットの複雑な形状は、熱可塑性等の硬質材料を用いて複製され得る。この戦略は、成形されたチョコレートのように、プラスチック硬性部品、またはさらに新規性食品を製造することにおいて有用であり得る。

本発明が上述の実施形態例において説明かつ図解されてきたが、本発明は、単なる例としてなされたものであり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の実施の詳細における多くの変更がなされ得、それが下記の特許請求の範囲によってのみ制限される、ことが理解される。他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内である。例えば、開示された実施形態がマクロスケールモジュラーソフトロボットに焦点を当てた一方、同様の設計は、マイクロスケールロボット用に用いられ得る。例えば、小さな基本単位は、マイクロ流体デバイスを構築するために用いられ得る。

Claims

複数の成形可撓性単位を含む可撓性アクチュエータであって、それぞれの成形可撓性単位が、別の成形可撓性単位に結合するように構成された機械的コネクタを備え、前記複数の結合された成形可撓性単位が、流体チャンバを画定するように配置される、可撓性アクチュエータと、
流体チャネルに結合された入口であって、前記流体チャネルを加圧流体源または減圧流体源に結合して、前記可撓性アクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成される、入口と、を備える、ソフトロボットアクチュエータ。
前記それぞれの成形可撓性単位が雄側機械的コネクタと雌側機械的コネクタとを備え、第１の成形可撓性単位の前記雄側機械的コネクタが第２の成形可撓性単位の雌側機械的コネクタに結合するように構成される、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記雄側機械的コネクタがペグを備え、雌側機械的コネクタが凹部を備える、請求項２に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記機械的コネクタが、単一の横方向に沿って引っ張り歪みに対する抵抗を提供するように構成された単一テーパ蟻継ぎ手を備える、請求項２に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記機械的コネクタが、２つの方向に沿って引っ張り歪みに対する抵抗を提供するように構成された二重テーパ蟻継ぎ手を備える、請求項２に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記成形可撓性単位のうちの１つが不均質材料を含み、さらに、前記成形可撓性単位のうちの前記１つの上の前記機械的コネクタがその本体のものに比べてより剛性の材料を用いて形成される、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記複数の成形可撓性単位が互いの上に積層され、前記可撓性アクチュエータを形成する、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記複数の成形可撓性単位のうちの１つ以上が穴を備え、前記穴が前記流体チャネルを形成するように整列される、請求項７に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記複数の成形可撓性単位のうちのいくつかが互いに直交するように配置され、それにより立方体アクチュエータを形成する、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記機械的コネクタが前記成形可撓性単位の縁に沿って位置付けられ、前記成形可撓性単位のうちの少なくとも２つが、前記成形可撓性単位の前記縁に沿って位置付けられた前記機械的コネクタを用いて互いに結合される、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記複数の成形可撓性単位のうちの１つが、切断工具を用いて切断された成形ブロックの部分を含む、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記切断工具が、かみそりの刃、ナイフ、およびはさみのうちの１つを含む、請求項１１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記複数の成形可撓性単位が第１の成形可撓性単位と第２の成形可撓性単位とを備え、前記第１の成形可撓性単位が前記第２の成形可撓性単位に比べて剛性が低く、前記流体チャネルの加圧または減圧の際に、前記第１の成形可撓性単位が前記第２の成形可撓性単位よりも拡張するように構成される、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記第１の成形可撓性単位および前記第２の成形可撓性単位が前記流体チャネルの側壁を備え、それによって加圧または減圧の際に拡張の方向および大きさの制御を提供する、請求項１３に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記第１の成形可撓性単位が前記第２の成形可撓性単位の上に積層され、それによって加圧または減圧の際に前記流体チャネルに沿って拡張の位置および大きさの制御を提供する、請求項１３に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記成形可撓性単位のうちの１つが正方形の形状を有する、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記２つの成形可撓性単位間の気密結合を形成するための２つの成形可撓性単位間に接着剤をさらに備える、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記接着剤がポリジメチルシロキサンプレポリマーを含む、請求項１７に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記接着剤が液体エコフレックスプレポリマーを含む、請求項１７に記載のソフトロボットアクチュエータ。
前記成形可撓性単位のうちの１つの一部が、加圧または減圧の際に膨張または収縮しないように構成される剛性の材料を含む、請求項１に記載のソフトロボットアクチュエータ。
請求項１〜２０のうちの１項に記載の複数のソフトロボットアクチュエータと、
前記複数のソフトロボットアクチュエータの前記入口に結合された流体入口であって、加圧流体または減圧流体を受容し、前記受容した流体を前記複数のソフトロボットアクチュエータの前記入口に提供して、前記複数のソフトロボットアクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成される流体入口と、を含む、モジュラーソフトロボット。
ソフトロボットアクチュエータを構築する方法であって、
物理的結合を別の可撓性基本単位に提供するように構成された機械的コネクタを備える複数の可撓性基本単位を提供することと、
前記複数の可撓性基本単位を配置して、埋め込み流体チャネルを有する可撓性アクチュエータを形成することと、
前記埋め込み流体チャネルに結合された入口を提供することであって、前記入口が、加圧流体または減圧流体を受容し、前記可撓性アクチュエータの一部を膨張または収縮させるように構成されることによって、前記可撓性アクチュエータの作動を引き起こすことと、を含む、方法。
前記機械的コネクタが雄側機械的コネクタと雌側機械的コネクタとを備え、第１の可撓性基本単位の前記雄側機械的コネクタが第２の可撓性基本単位の雌側機械的コネクタに結合するように構成される、請求項２２に記載の方法。
前記雄側機械的コネクタがペグを備え、雌側機械的コネクタが凹部を備える、請求項２３に記載の方法。
前記機械的コネクタが、単一の横方向に沿って引っ張り歪みを提供するように構成された単一テーパ蟻継ぎ手を備える、請求項２３に記載の方法。
前記機械的コネクタが、２つの方向に沿って引っ張り歪みを提供するように構成された二重テーパ蟻継ぎ手を備える、請求項２３に記載の方法。
前記可撓性基本単位のうちの１つが不均質材料を含み、さらに、前記可撓性基本単位のうちの前記１つの上の前記機械的コネクタがその本体のものに比べてより剛性の材料を用いて形成される、請求項２３に記載の方法。
前記複数の可撓性基本単位を配置することが、前記可撓性基本単位のうちの１つを前記可撓性基本単位のうちの別の１つの上に積層して、前記可撓性アクチュエータを形成することを含む、請求項２６に記載の方法。
前記複数の可撓性基本単位のうちの１つ以上が穴を含み、さらに、前記方法が前記穴を整列させて、前記流体チャネルを形成することを含む、請求項２８に記載の方法。
前記複数の可撓性基本単位が第１の可撓性基本単位と第２の可撓性基本単位とを備え、前記第１の可撓性基本単位が前記第２の可撓性基本単位に比べて剛性が低く、前記流体チャネルの加圧または減圧の際に、前記第１の可撓性基本単位が前記第２の可撓性基本単位よりも拡張するように構成される、請求項２６に記載の方法。
前記複数の可撓性基本単位を配置することが、前記流体チャネルの側壁として前記第１の可撓性基本単位および前記第２の可撓性基本単位を配置して、それによって加圧または減圧の際に拡張の方向および大きさの制御を提供することを含む、請求項３０に記載の方法。
前記複数の可撓性基本単位を配置することが、前記第１の可撓性基本単位を前記第２の可撓性基本単位で積層することを含む、請求項３０に記載の方法。
前記２つの可撓性基本単位間の気密結合を形成するための２つの可撓性基本単位間に接着剤を提供することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
前記接着剤がポリジメチルシロキサンプレポリマーを含む、請求項３３に記載の方法。
前記接着剤が液体エコフレックスプレポリマーを含む、請求項３３に記載の方法。
前記可撓性基本単位のうちの１つの一部が、加圧または減圧の際に膨張または収縮しないように構成される剛性の材料を含む、請求項２２に記載の方法。
複数の可撓性基本単位を提供することが、切断工具を用いて、前記複数の可撓性基本単位のうちの１つを成形ブロックから切断することを含む、請求項２２に記載の方法。
前記切断工具が、かみそりの刃、ナイフ、およびはさみのうちの１つを含む、請求項３７に記載の方法。
ソフトロボットアクチュエータを作動する方法であって、
請求項１〜２０のうちの１項に記載のソフトロボットアクチュエータを提供することと、
加圧流体または減圧流体を前記ソフトロボットアクチュエータの前記入口に提供して、前記ソフトロボットアクチュエータの壁の拡張を引き起こし、それによって前記ソフトロボットアクチュエータの作動を引き起こすことと、を含む、方法。