超高速小型

Jun 09, 2023

Nature Communications volume 13、記事番号: 4456 (2022) この記事を引用

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183 オルトメトリック

メトリクスの詳細

高速移動は動物にとって不可欠な生存戦略であり、過酷で予測不可能な環境に生息することが可能になります。生物からインスピレーションを得たソフトロボットは、多用途かつ超高速の動作から同様に恩恵を受けますが、適切な駆動機構とデバイス設計が必要です。今回我々は、静磁場中で数ボルトの駆動電圧で交流を流す、埋め込まれた印刷液体金属チャネルに作用するローレンツ力によって駆動される、湾曲したエラストマー二重層で作られた小型の軟電磁ロボットのクラスを紹介する。それらの動的共振性能は実験的および理論的に研究されています。これらの堅牢で多用途のロボットは、歩いたり、走ったり、泳いだり、ジャンプしたり、操縦したり、荷物を輸送したりできます。それらの繋留バージョンは、3D 波形基板上で 70 BL/s (1 秒あたりの体の長さ)、任意の平面基板上で 35 BL/s の超高速走行速度に達し、水中での最大遊泳速度は 4.8 BL/s です。さらに、プロトタイプのアンテザードバージョンは、それぞれ最大速度 2.1 BL/s と 1.8 BL/s で走行および水泳します。

チーター、ウサギ、ゴキブリなどの自然生物は、食べ物を探したり、捕食者から逃げるための主な生存戦略の 1 つとして高速移動を使用します。 1 秒あたりの体長 (BL) で表した相対速度は、さまざまな体サイズの範囲にわたるさまざまな生物の速度を定量化し、ダニ Paratarsotomus Macalpis では 323 BL/s にも達します1。この技術は、主に大型機械 (BL > 100 mm) と高出力エンジン (燃焼モーターや電気モーターなど) によって高速移動を実現し、その結果、F1 カー (50 BL/秒) や四足歩行ロボット 2 が高速で走行します。 9.1 BL/秒。しかし、従来の高性能モーターや伝達システムは小型化が難しいため、高速小型ロボット（1 mm < BL ≤ 100 mm）の設計は困難です。スマートな材料で作られたシンプルな構造は、小型ロボットを構築するための別の可能性を提供します。チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)3 と形状記憶合金 (SMA)4 は、ミリメートルサイズのロボットに実装される 2 つの代表的な硬質スマート材料ですが、高速移動を可能にするには作動ストロークが小さすぎるか、周波数が低すぎるという特徴があります。さらに、新たなロボット工学や人間とロボットのインタラクションには、過酷で動的な環境でも動作できる、ソフトで安全、高速かつ堅牢な設計が必要です。極端な例は、消化中に機械的圧縮を受け、酸性の液体を含む人間の胃です。消化管関連疾患の予防または治療により、薬物送達や非侵襲手術用のソフトミニロボットの開発が促進されます5。

これらの問題に取り組むために、熱応答性高分子ファイバー6、pH応答性高分子ゲル7、光応答性液晶ポリマー8、電場・磁場応答性材料9、10、11、12、13などのロボット用ソフトスマート材料が登場している。しかし、熱応答性ポリマー繊維や pH 応答性ポリマーゲルは、イオンや熱のゆっくりとした拡散に依存しているため、ロボットの高速移動には十分ではありません。光応答性液晶ポリマー 8 は、10 Hz を超える周波数で作動させることができますが、変調された照明と透明な環境の必要性により、その応用の可能性が制限されます 14。誘電エラストマー (DE) や軟磁性エラストマー (SME) などの電場/磁場応答性エラストマーは、通常、応答時間が速く、kHz 範囲の振動が特徴です9、10、11、12。 DE の欠点は、動作電圧 (kV 範囲) が高いことであり、潜在的な安全上の問題を引き起こし、小型化を妨げます。 SME ロボットは安全で、応答が速く、小型化が容易ですが、グローバルで動的に調整可能な磁場を必要とするため、複数モジュールまたは群ロボットの設計には困難があります 14、15、16。エラストマー基板に埋め込まれた液体金属（LM）コイルで構成されるソフト電磁アクチュエーター（SEMA）は、局所的な制御性が優れており、磁気共鳴画像法（MRI）装置などに存在するような強い静磁場においても高性能を特徴としています9。 LM 3D プリンティングの進歩により、SEMA を少なくとも 1 ミリメートルスケールまで小型化することが可能になり、マイクロメートルからセンチメートルサイズのソフトロボットの高速移動への道が開かれます17。

ここでは、歩く、走る、ジャンプする、泳ぐ、操縦することができ、さらには荷物の輸送と放出が可能な、超高速で堅牢かつ多用途の小型軟電磁ロボット (SEMR) のシリーズを開発します。これは、製造、ロボット設計、およびモデリングの進歩によって実現され、これらが総合的にロボットの性能を向上させ、小型の自己電源式コントローラーを装備した場合には、アンテザーでの動作も可能になります。この製造（図1a）では、エラストマー基板上にLMコイルを印刷することを利用しています。これにより、ロボット本体のさまざまなセクションを同時に選択的に制御でき、操縦と荷物の輸送が可能になります。ひずみの不一致を持つエラストマー二重層により、静磁場および適切な足の設計で時間変化する電流を受けたときに歩行可能な湾曲したロボット本体が得られます。 2 種類の SEMR フィートを紹介します。1 つは非対称 3D プリント基板用の鋸歯状フィート、もう 1 つは平面基板用の L 字型フィートです。両方とも、SEMR TST（テザー付き、鋸歯状フィート）およびSEMR TL（テザー付き、L字型フィート）とともに図1aに示されています。実験で実証され、解析および数値モデリングによって裏付けられているように、SEMR の移動は機械的共振周波数付近で超高速になります。私たちは、SEMRが70 BL/sの超高速相対速度で動作することを実証します。これは、これまでの軟体ロボットの約17.5倍、センチメートルスケールの電磁ロボットやほとんどの動物よりも高速です（図1b）。さらに、同じSEMRは4.8 BL / sの高い相対速度で泳ぐこともでき、これは他の水生ロボットや動物と比較して有利です（補足図1、補足表2）。

製造プロセスの概略図。 LM コイルは、あらかじめ伸ばされたエラストマーフィルム上に印刷されます。次に、エラストマー前駆体溶液をバーコーティングを使用して LM コイルの上に塗布し、ロボット本体を切り出すための二層構造を形成します。最後に鋸歯状またはL字型の足を取り付けます。作動のために、ロボットは電極を介して外部電源に接続されます。 b 代表的な哺乳類、節足動物、ソフトロボット、ロボットの最大走行速度と体長の関係。影付きの領域には、凡例の記号で示されているさまざまなカテゴリの範囲と、星印の付いた SEMR の範囲が含まれています。当社の SEMR の最大相対速度は 70 BL/s で、これは以前の軟体ロボットのほぼ 17.5 倍であり、センチメートルスケールの電磁ロボットや最も速い動物よりも高速です。速度の高い 2 つの星はテザーされた SEMR に対応し、2 つの遅い星はテザーのないロボットに対応します。詳細については、補足表 1 を参照してください。

SEMR 内の LM チャネルの多用途設計は、解像度 100 μm までの LM ワイヤを生成できる 3D 直接インク書き込み (DIW) プリンタ 18 (補足図 2) によって提供されます (補足図 3)。 LMチャネルを外部電源に接続するには、電極をSEMA / SEMR本体に挿入し、エラストマーで密封します（補足図4）。私たちの製造スキームの堅牢性と機能性は、サイズが9 mm × 9 mm × 0.8 mmの2つの小型SEMAを使用した曲げ試験で調査されました（補足図5）。ここで、SEMA 1 の重量は 96 mg ですが、SEMA 2 は中央に切り欠きがあるためさらに軽量です。どちらのアクチュエーターもカスタムのパルス幅変調（PWM）コントローラーによって駆動され（補足図6）、永久板磁石の上に配置されます（表面に約0.3 Tの磁場、補足図7a）。 SEMA 1 の先端の水平変位は、1 A の定電流で駆動した場合に 4.5 mm ですが、SEMA 2 の軽量設計により、曲げ剛性が低下するため、変位を最大 6.4 mm 増加させることができます (補足図)。 7b～d)。方形波電流で駆動される SEMA を使用した動的テスト (補足図 7e、補足ムービー 1) では、カットアウトのある SEMA 2 の比較的小さな電流 (0.1 A、8 Hz) で 6.3 mm 以上の高い水平スパンが得られます。幾何学形状（補足図7f）。これは高い駆動電流にとって重要であるため、空気中で動作させたときのSEMA温度の上昇を特徴付けます（補足図8a）。長期テスト (>1000 秒) では、電流 0.1 A、0.3 A、および 0.5 A に対して 1.3 °C、10.9 °C、および 27.5 °C の温度上昇が見られます。アクチュエータは完全に機能し続け、補足テキストで説明されているように、コイルの巻き数を増やすなど、コイルの設計を改善することでこのジュール発熱をさらに低減できます。

SEMR 設計は 2 次元 SEMA の原理に基づいていますが、高速移動メカニズムを与えるために重要な変更が加えられています。補足図9aに示す平らなSEMAは、LMコイルが磁場の方向に対して垂直に配向されている形状の小さな面内変形のみが可能です。このような状況では、ロボットは歩くことはおろか、変形することも困難になります。多くの動物とほとんどのソフトロボットが高速移動のために湾曲した体の拡張/収縮を利用していることを考慮して、LMチャネルが埋め込まれた湾曲したエラストマー二層フィルム（補足図9b）が高速のソフトロボットを可能にするという仮説を立てました。電磁アクチュエーター。このためには、二層膜内の歪みが不一致であることが不可欠です。典型的な戦略には、pH、熱、または湿度に応答する材料の利用が含まれます。ただし、SEMA に固有のジュール発熱と、SEMA の典型的な作業環境が周囲空気であることを考慮すると、これらの材料クラスは SEMA の曲率を実現するには最適ではない可能性があると結論付けました。代わりに、二層フィルムの層の 1 つに機械的な事前ストレッチを適用して、ひずみの不一致を引き起こします。この方法は伸縮性エレクトロニクスに応用でき、マイクロメートルスケールまでスケールダウンすることができます21,22。実際には、二層フィルムを剥がすと丸くなるように、事前に伸長した層（上）を変形していない層（下）に接着することで二層を作製しました（補足図10a）。製造をガイドし、二層フィルムの望ましい厚さとプレストレッチを見つけるために、数値有限要素法（FEM）スキーム（図2a、補足図10b）と理論モデル（補足図10c、d）が作成されました。発展した。

a 異なるプレストレッチ（1.0、1.1、1.3、および 1.5）を使用した二層フィルムのシミュレーション形状。 b 適用された事前延伸の関数としてシミュレートおよび計算された二層フィルムの半径。 c プレストレッチ 1.3 を使用した実験とシミュレーションの SEMR 形状の重ね合わせ写真 (側面図)。 d さまざまな周波数での0.2 Aの方形波電流のSEMR振動のスナップショット(補足ムービー2)。 37 Hz と 12 Hz のフレームは、e に見られるように、主要なスペクトル最大値と 2 番目に大きいスペクトル最大値に対応します。 e さまざまな周波数で 0.2 A の方形波電流を受けたロボットの左足の水平変位 (補足ムービー 2)。ロボットは磁石の上部に取り付けられ、銅線で中央に固定されています。挿入図は 3 つの変位 (左、右、および全体) を示しています。それらは、それぞれ、基準「0」位置 (電流なし) から左 (伸長)、右 (収縮) への最大変位、およびそれらの合計に対応します。上の曲線 (フル) は、足の変位の全範囲を示します。 f 12 Hz および 37 Hz の周波数での 0.5 A 方形波電流の振動テストのフレーム (補足ムービー 2) は、共振周波数から離れるおよび共振周波数に近い可動範囲を示しています。 g 走っているチーターを描いたイラスト。 h 高速カメラビデオのスナップショット (補足ムービー 2)。方形波電流 (0.5 A、37 Hz) によって駆動されるロボットの動作の段階を示します。

二層膜の理論上の半径は \(r={({t}_{10}+{t}_{20})}^{3}/(6{\varepsilon }_{10}{t) で近似されます。 }_{10}{t}_{20})\)、\({t}_{10}\) と \({t}_{20}\) は最上層と最下層の厚さです。 \({\varepsilon }_{10}\) は、最下層に結合する前の最上層の予歪みです (詳細については補足テキストを参照)。予ひずみ \({\varepsilon }_{10}\) と予伸張 \({\lambda }_{{{{{{\rm{pre}}}}}}\) の関係は \({ \lambda }_{{{{{{\rm{pre}}}}}}}=1+{\varepsilon }_{10}\)。 \({t}_{10}={t}_{20}\) の場合、半径は \(r=4{t}_{10}/(3{\varepsilon }_{10})\ に簡略化されます。）。補足図10eでは、1.01から1.7まで変化するプレストレッチを備えた湾曲した二層フィルムをスケッチします。理論モデルは、小さなプレストレッチの数値シミュレーションと一致します。 (図2b)。さらに、3 種類のプレストレッチ (等二軸、純粋せん断、一軸) を比較する実験を行ったところ、数値シミュレーションとの良好な一致が見つかりました (補足図 11)。等二軸延伸により第 2 方向にも曲率が生じますが、歩行方向の実効ローレンツ力が減少し、動作、制御、製造が複雑になるため、これらのタイプの SEMR には望ましくない影響が生じます。これらの予伸張タイプのうち、他の 2 つの予伸張タイプは同じ予伸張でより大きな曲率を生成しますが、一軸タイプが最も実用的であることが判明しました。したがって、理論とシミュレーションを活用して、一軸延伸を使用して湾曲SEMRを製造します。 3D プリントされたフレームは、長方形のフィルムの事前伸縮を制御するために使用されます (補足図 13a、b)。一方、小さな直方体は、3D プリントプロセス中に延伸フィルムの下の平らな支持基板として機能します (補足図 13c-e)。。 SEMRの製造は、2つのロボットの足を取り付けることで完了します（図1a）。作製されたSEMRは計算されたものと同じ形状を持っています（図2c）。

SEMR の移動と動的パフォーマンスの物理的なイメージは、機械的振動に基づいた理論モデル内で記述されます。このモデルを検証し、SEMR の形状 (補足図 14a-c) と機械的特性をさらに特徴付けるために、一連の実験が行われました。重力は振動への影響が小さいため考慮されません(補足図14d)。静的荷重を受けたSEMRの変形を補足図15に示します。磁石の上に吊り下げられたSEMRに方形波または正弦波電流を適用することにより、理論的予測とよく一致する、結果として生じる動的変形の周波数応答を研究します。 (補足テキスト)。方形波電流の最大の偏向は、37 Hz の共振周波数で発生します (図 2d–f、補足ムービー 2)。この周波数は式で与えられます。補足テキストの (21) を参照し、ロボットの動きに対するその影響については、セクション 2.10「振動子の近似と速度」で説明します。より大きな電流（0.5 A）は、SEMRの本体が最大スイング時にほぼ平らに伸びるまで、より大きな変形に対応します（図2f、補足ムービー2）。実験 (補足図 16、17) と理論 (補足テキスト) の両方が、方形波励起がいくつかの点で、特に低周波数で有益であることを示しています。同じ振幅の正弦波電流と比較して、方形波電流ではより大きな変形が可能です。ローレンツ力はより早く最大値に達します。大幅に高い加速度が提供され、両方の要因によりロボットが構造化された基板の溝から引き出され、静摩擦に打ち勝って動きを開始します（補足テキスト）。方形波電流の電子的実装も同様に簡単です。振動するSEMRは、走るチーターに似た力学を示し（図2g、h）、これが超高速走行ロボットの開発のきっかけとなった。理想的な条件下では、理論では非常に高い走行速度が予測されます (補足テキスト)。測定された速度は、基板上での足の滑り、直線運動からの逸脱、ホバリング状態での地面からの逆位相反発、およびその他の有害な影響により小さくなります。

チーターの高速走行において前足が重要な役割を果たしていることはよく知られています。同様に、SEMR の高速走行には適切な足の設計が重要です。図 1a に示す足の設計のための 2 つの戦略を紹介します。これらは SEMR の機械的解析に基づいています。図 3a は、ローレンツ力が液体金属コイルのさまざまな部分に作用し、その大部分が相殺されることを示しています。自由体図 (図 3b、側面図) には、垂直支持力 (\({F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\)、\({F} _{{{{{{\rm{s2}}}}}}\)) と摩擦力 (\({F}_{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f) \!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\)、\({F}_{{{{{\rm{f2}}}}}}}= f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}\)) ここで、 \(f\) は乾燥摩擦係数です (\(0.1 \, < \, f \ 、< \、0.5\) (典型的な場合)。ロボットの質量は約 \(m=180\,{{{{\rm{mg}}}}}}\) となり、重力は \(G=mg=1.8\,{{{ {{\rm{mN}}}}}}\)、重力による加速度 \(g\,\estimate\, 10\,{{{{{{\rm{m}}}}}}/ {{{{{\rm{s}}}}}}}^{2}\)。ロボットの脚に作用する関連するローレンツ力は水平方向です。電流 \(I=0.5\,{{{{{\rm{A}}}}}\) および磁場の強さ \(B=0.3\,{{{{{\rm{T}}) }}}}\) およそ \({F}_{1{{{{{\rm{L}}}}}}={F}_{2{{{{{\rm{R} }}}}}}=BIL=2.7\,{{{{{\rm{mN}}}}}}\)、\(L=(5+6+7)\,{{{{{\ rm{mm}}}}}}=18\,{{{{{\rm{mm}}}}}}\) は導線の全長です (図 3a、詳細は補足テキストを参照)セクション 1.3「ローレンツ力の計算」)。通常の反力と静止摩擦力は両足にほぼ均等に配分されます: \({F}_{{{{{\rm{f1}}}}}}=f\!{F}_{{{{ {{\rm{s1}}}}}}\,\おおよそ\, fG/2\)。大電流の場合、例: \(I=0.5\,{{{{\rm{A}}}}}}\)、\({F}_{{{{{{\rm{f}}} }}}1} \, < \, {F}_{{{{{{\rm{1L}}}}}}},\,{F}_{{{{{{\rm{f}} }}}}2} \, < \, {F}_{2{{{{{\rm{R}}}}}}\) となり、足の滑りによりロボットが適切に移動できなくなります15。また、コイルと SEMR 本体の対称性により、振動電流が印加されたときに水平方向の変位はなく、質量中心の周りの振動のみが引き起こされます。このため、ほとんどのソフトロボットは、滑りを避け、摩擦力の対称性を破り、並進運動を可能にするために、フック19、23、薄膜12、またはプラスチック/エラストマー複合材24を足として使用します。小規模 SEMR 用の堅牢なフックの製造は困難であり、一方向の動きには一定の非対称性が必要ですが、これは 2 つの方法で実現されます。最初のアプローチでは、ロボットの足は薄い鋸歯状のポリマーフィルムでできています。このようなロボットは、一方向の摩擦を提供する非対称構造の基板（図1a）上で動作します（図3c〜e、i）。 2 番目の設計では、非対称性はロボット自体の L 字型の足だけが原因です (図 3f–h、j)。したがって、このようなSEMRは、さまざまな平面状の非構造基板上で動作します（図3k）。

a 外部磁場中で液体金属コイルのさまざまな部分に作用するローレンツ力 (\(\it B\))、上面図。現在 (\(\it I\)) は反時計回りの矢印で示されます。力のペア (\(\it {F}_{{{{{\rm{1A}}}}}}}\)、\(\it {F}_{{{{{{\rm{1B }}}}}}}\)) と (\(\it {F}_{{{{{\rm{2A}}}}}}}\)、\(\it {F}_{{ {{{{\rm{2B}}}}}}}\)) は曲げ方向に対して垂直であり、キャンセルされます。中央のペア (\(\it {F}_{{{{{\rm{1L}}}}}}}\)、\(\it {F}_{{{{{{\rm{2R }}}}}}}\)) も全体のバランスでキャンセルされます。 b 残りの関連する荷重ローレンツ力を伴う湾曲 SEMR の自由体図 (\(\it {F}_{{{{{\rm{1R}}}}}}}\), \(\it {F }_{{{{{{\rm{2L}}}}}}\))、側面図。重力 (\(\it G\)) が重心 (COM) に適用されます。通常の支持力 (\(\it {F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\)、\(\it {F}_{{{{{{\rm{ s2}}}}}}}\)) と摩擦力 (\(\it {F}_{{{{{\rm{f1}}}}}}}\)、\(\it {F} _{{{{{{\rm{f2}}}}}}\)) も示されています。 c 非対称構造の基板上のSEMR TSTの動作メカニズム。 d 方形波電流 (0.3 A、1 Hz) によって駆動されるウォーキング SEMR TST の主要なステージ。 e 示されているように、方形波電流 (0.3 A、55 Hz および 0.5 A、45 Hz) で駆動された実行中の SEMR TSTS のスナップショット。スナップショット間の時間は 0.05 秒です。一番下のシーケンスは、最大速度 70 BL/s に対応します。 f L字型の足によるSEMRの走行機構。 g 方形波電流 (0.2 A、1 Hz) によって駆動されるウォーキング SEMR TST の主要ステージ。 h 示されているように、方形波電流 (0.3 A、40 Hz および 0.4 A、30 Hz) で駆動された実行中の SEMR TL のスナップショット。スナップショット間の時間は 0.05 秒です。一番下のシーケンスは、最大速度 35 BL/s に対応します。 i 異なる振幅 (0.3 A、0.4 A、および 0.5 A) における周波数の関数として方形波電流によって駆動される SEMR TST の最大速度。 j 異なる振幅 (0.2 A、0.3 A、0.4 A) における周波数の関数としての方形波電流によって駆動される SEMR TL の最大速度。 k さまざまなサンドペーパー (Sp-p80、p180、p400)、エラストマー (PDMS)、紙、木材、金属、プラスチック、ガラスなどのさまざまな基材上の SEMR TL の最大実行速度 (補足ムービー 3)。すべてのエラーバーは、4 つの測定値の標準偏差を表します。すべてのスナップショットは補足ムービー 3 のさまざまな部分からのものです。

図 3c は、SEMR TST の動作メカニズムを示しています。一方向の動きを保証するために、足は両脚で同じ方向を向いています。しかし、そのような足は依然として平面基板上で滑るので、この問題は代替の材料または設計で克服できる可能性があります25。制御された条件下でのロボットの性能を研究するために、鋸歯状の基板（図3c、補足図18）を使用して模倣する、粗いまたは波形の基板では滑りが減少します。チーターの引き込み不能な爪と同じように、ロボットの足とそのような基板の間の機械的な連動により、高度に非対称な摩擦が生じ、超高速移動が可能になります。振動電流（正弦波または方形波）により、ロボットは本体を周期的に収縮および拡張します（図3c、補足図19）。ロボットが伸びると前足は前方に移動しますが、後足は機械的インターロックにより固定されます。次に、前足が固定された状態でロボットが収縮し、後足が前方に引き上げられます。これらの段階は図3cに概略的に示されており、SEMR TSTが方形波電流（0.3A、1Hz）によって駆動される実験から図3dまたは補足ムービー3で見ることができます。さまざまな鋸歯プロファイル (鋸歯の高さ a = 0.6 mm ～ 1 mm) を備えた 3D プリント基板を製造し、その性能を比較しました。最も性能の良いもの（a = 0.8 mm、補足図18および20a）を次の実験で使用しました。

より高速な移動を実現するには、最適な駆動電流が重要です。低周波方形波電流の場合、ロボットは電流の方向が変化してから数十ミリ秒だけ動き、電流がゼロでない場合でもその形状を保持します（図3d、補足ムービー3）。したがって、駆動電流の周波数が高くなるとロボットの速度が増加することは驚くべきことではありません。さまざまな周波数とさまざまな電流振幅でのテスト（図3i、補足図20b）により、ロボットの最大速度は共振周波数\({f}_{0}\,\ほぼ\, 45\,{{ {{{\rm{Hz}}}}}}\)。駆動電流 \({f}_{I}\) の周波数が \({f}_{0}\) から離調すると、ロボットの速度は低下します。図3iの共振周波数（45 Hz）は、自由ロボットとクランプロボットの境界条件が異なるため、振動テスト（図2eの約37 Hz）よりも大きくなっています（補足テキストの理論とよく一致しています））。測定された最高走行速度は 630 mm/s、または 70 BL/s (補足ムービー 3) であり、これは、私たちが知る限り、以前の軟体ロボットの速度の 17.5 倍である記録です (図 1b、補足表) 1)。走行ビデオの個々のフレームを図 3e に示します。変位と速度対時間の曲線から、電流が低い場合、足と基板の間の接触と摩擦によりロボットの速度が低下することがわかります（補足図21a〜c）。ただし、共振周波数付近の電流が大きいと、ロボットはほとんどの時間空中でホバリングするか、片足だけで地面に触れます。これにより、ロボットと基板の間のエネルギー散逸が減少し、走行速度が増加します（補足図21d））。より大きな磁石の場合、速度は最終的に、さまざまなメカニズムの補足テキストで詳しく説明されている最大値付近で安定するはずです。ロボットの速度は電流とともに増加しますが、非常に高い電流（0.6 A以上）では、本体が過度に折りたたまれるため、ロボットはつまずきます（補足図22a）。この問題に対する 3 つの解決策を提案します。(1) 負の電流 (収縮) の持続時間を短縮します (補足図 22b)。（2）負の電流の振幅を減少させる（補足図22c）。（３）駆動周波数を上げる。これらのソリューションはすべてうまく機能し (補足ムービー 4)、さらに最適化するとロボットの速度がさらに向上する可能性があります。

鋸歯状の足を使用して記録的な高速走行速度を達成しましたが、基板の特性に依存するため、SEMR の適用可能性は制限されます。これを克服するために、より汎用性の高い L 字型の足のデザインを開発しました。 L 字型の足を採用した SEMR TL の動作メカニズムを図 3f と補足図 23 に示します。比較的大きな L 字型の足は、後脚の内側と前脚の外側に取り付けられています（補足）図２４ａ、ｂ）。この組み込まれた非対称性により、人間の歩行と走行のサイクルに似て、通常の反力と静止摩擦力が不均等に分散されるように、足の間で体重が交互に移動します。膨張中の正の電流 \(I \, > \,0\) の場合 (図 3f、上のパネル)、前 (右) 足には小さな摩擦 \({F}_{{{{{{\rm{ f1}}}}}}=f\!{F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}\,\about\, 0\) で前方 (右方向) に滑ります一方、後部 (左) 足には大きな摩擦があります \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm {s2}}}}}}}\,\おおよそ\, fG\) であり、ほぼ修正されています。収縮中の負の電流 \(I \, < \, 0\) の場合 (図 3f、下のパネル)、状況は逆になります。前足には大きな摩擦 \({F}_{{{{{{\rm {f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\about\, fG\) はほぼ修正されていますが、後ろのもの \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}} }\,\おおよそ\, 0\) が引き上げられます。この動作の詳細な説明は、補足テキストのセクション 1.17「L 字型の足を備えた SEMR の移動原理」に記載されています。これらの段階は、0.2 Aの低電流による1 Hzの方形波励起の図3g（補足ムービー3から抜粋）のフレームで見ることができます。SEMR TLの共振周波数が測定されました（補足図3）。 .24c) は、L 字型の足の追加重量により、SEMR TST よりも低くなります。 L 字型の足の 6 つの異なる幾何学形状 (補足図 24a、補足表 3) がテストされ、最も速い足タイプ E (補足図 24d) がその後の実験に選択されました。

図 3h は、ガラスプレート上で SEMR TL が実行される補足ムービー 3 のフレームを示しています。上のパネル (0.3 A、40 Hz) は制御された動作を示しています。短い加速段階の後、速度は 165 mm/s の一定値で安定します。これは 18.3 BL/s に相当します。一番下のシーケンスは電流が高く、機械的共振 (0.4 A、30 Hz) に近くなります。これにより、はるかに速い動き (630 mm/s、70 BL/s) が得られますが、動きの制御性は低くなります。図 3j のさまざまな電流の周波数依存性は、図 3i と同様の共振動作を示しています。ロボットの寸法と重量の違いにより、2 つの設計間で共振周波数が異なります (補足図 24c)。図 3k は、共振条件下で異なるトライボロジー特性を持つさまざまな基板上で SEMR TL によって達成される最大速度を示しています。 SEMR TLの変位対時間曲線は、ほとんどの基板、特にガラスや金属のような滑らかな基板上で安定した移動を示しています（補足図25）。

多くの動物は、高速で移動することに加えて、衝撃や落下に対する回復力、障害物を回避する能力、陸生と水生の境界を自由に横断する能力、獲物や子孫を運ぶ能力など、幅広い生存戦略を開発しました。これらの機能の一部はロボット工学にインスピレーションを与え、たとえば耐久性が高いと過酷な環境でのロボットの生存率が高まります 19,26。歩行中にSEMRを強い力（体重の1764倍）で平らにする耐久性テストを実施しました（図4a、補足ムービー5）。ロボットのパフォーマンスは衝撃の前後で一貫した状態を保ちます。 SEMR TLの本体を引張試験機で圧縮したところ、密閉されたLMは最大139気圧（本体に2000N）の圧縮応力に耐えられることがわかりました。 3.5気圧（本体に50 Nの力）を超える圧力で電気的切断が発生しましたが、圧力が解放されるとSEMRの抵抗と本体は回復しました（補足図26）。

外部負荷時の SEMR TL の復元力を示す堅牢性テスト (補足ムービー 5)。ロボットは 2 回押されて完全に平らになるまで歩行を再開します (駆動電流 0.3 A、1 Hz)。 b SEMR は高さ 2.5 mm の物体 (上のもの) を飛び越えて (下のもの) 上に乗ります (補足ムービー 6)。 c 水面に浮かぶSEMR TST。挿入図、ロボットの上面図。 d 水泳SEMR TSTの経路（補足ムービー7）。 e 駆動電流 0.5 A の場合の最大水泳速度対周波数。エラーバーは 4 つの測定値の標準偏差を表します。 f 2 モジュールの操縦可能な SEMR TSTS。フレーム 1 ～ 7 は、モジュールを流れる制御された電流を使用した直進歩行、反時計回り、時計回りの回転を示しています (補足ムービー 8)。直線上の目盛りの間隔は1cmです。 g 貨物を運ぶ輸送用SEMR TRCの側面図。本体と自動荷役用リリースアクチュエータから構成されます（補足動画9）。 h アンテザード SEMR UL、UR1、UR2 の写真、左から右へ。 i 0.6 秒の時間間隔で実行中のアンテザード SEMR UL (補足ムービー 10) の一連のスナップショット。 j 0.27 秒の時間間隔で実行中のアンテザード SEMR UR1 の一連のスナップショット (補足ムービー 10)。 k 水泳SEMR UR2（補足ムービー10）の収縮と拡張の状態のスナップショット、それぞれ左と右のサブパネル。

しかし、回復力だけでは十分ではありません。障害物を克服することは、ほとんどの小型ロボットにとって依然として困難です15。パルス電流信号（-1 Aの100ミリ秒の負電流）を印加することで、SEMR TSTが最大4 mmの高さの障害物（高さの約2/3、補足図27a、補足ムービー6）を飛び越えることができることを実証します。、その後 50 ms の 1 A の正電流)。フレームごとの分析（補足図27a）は、ロボットが最初に収縮し、次に本体を傾けることを示しています（その過程でエネルギーが蓄積されます）。そして圧縮されたバネのように伸びて（エネルギーを解放して）障害物を飛び越えます。同様に、SEMR TLは、金属表面上で3 mm上にジャンプしたり（補足図27b、補足ムービー6）、障害物を横切ったり、ステージにジャンプして走り続けることができます（図4b、補足ムービー6）。小型ロボットの地上環境の制約を取り除き、水中での作業条件を含めることで、微細製造のための浮遊物体の操作が可能になります27。水陸両用SEMRはその制御性により、幅広い用途が可能になります。軽量で比較的低い平均密度 (約 \(1.2\,{{{{{\rm{g}}}}}}\,{{{{{{\rm{cm}}}}}}) ^{-3}\))、SEMR TSTは表面張力と浮力により、そのまま水面に浮きます（図4c）。方形波電流（0.5 A、20 Hz）で作動すると、ロボットは最大速度43 mm / sまたは4.8 BL / sで水面に沿って泳ぎます（図4d）（図4e、補足ムービー7）。、これは他の水泳ロボットと比べて優れています（補足図1、補足表2）。さらなる改良により、SEMR は特定の昆虫 (136.4 BL/秒)、魚 (17.8 BL/秒)、またはオタマジャクシ (17.9 BL/秒) の速度に達することが可能になる可能性があります。ロボット工学における複雑なタスクには、通常、いくつかの自由度が含まれますが、必要な制御メカニズムにより、小規模なソフトロボットで実現するのは困難なことがよくあります。 SEMRの印刷されたLMチャネルは個別にアドレス指定可能でスケーラブルであるため、2つの別個のコイルを含む2モジュールのSEMR TSTS（テザー鋸歯状の足、ステアリング）はすでにステアリング可能です（図4f、補足図28）。コイル電流を独立して制御することで、ロボットは角速度 160°/s で直進、時計回りまたは反時計回りに回転し (図 4f、補足ムービー 8)、自由に移動できます。 2番目のコイルの位置の再構成を含む2モジュールSEMRのさらなる構造再設計により、輸送SEMR TRC（テザー、長方形フィート、カーゴ）が得られます（補足図29）。物体の自動再配置は、2 つのモジュールを個別に作動させることによって可能になります。1 つは走行用、もう 1 つは貨物の制御放出用です (図 4g、補足ムービー 9)。

この時点まで、テザーSEMRは外部電源システムによって駆動されていました。ただし、自力式/紐なしロボットは、より大きなナビゲーションの自由度を備えており、周囲に容易に反応したり、汎用タスクを実行したりする可能性があります。小規模システムでエネルギー的および計算上の自律性を達成することは困難ですが、このステップは、自律型自走式マイクロロボットという究極の夢を実現するために重要です。ここでは、輸送用SEMRの貨物操作アクチュエーターをカスタムのバッテリー駆動のプリント基板（PCB）に置き換えることにより、アンテザードSEMRに向けた簡単なプロトタイピングソリューションを提供します（材料と方法）。コントローラーの構築には、3 つの異なるサイズの PCB (補足図 30 ～ 32) と非磁性バッテリー (補足表 4) が使用されます。図4hに、アンテザーSEMRの集合写真を示します。 SEMR UL（アンテザー式、L字型フィート）の本体長は9mm、SEMR UR1（アンテザード、長方形フィート、No.1）とUR2（アンテザード、長方形フィート、No.2）では約20mmです。これらのロボットの概要を補足表 5 に示します。SEMR UL は、金属表面 (図 4i、補足図 33) 上で 1.2 BL/s の速度で動作します。 SEMR UR1は、3Dプリント基板上で2.1 BL / sの速度で実行でき（図4j）、水中では1.25 BL / sの速度で泳ぐことができます（補足図34）。バッテリーの高い内部抵抗 (補足表 4) と、小型および中型 PCB によって供給される正のみの方形波電流 (補足図 30 および補足図 31) により、SEMR の動作性能が制限されます。その結果、交流方形波電流（補足図35b）が可能なPCB（補足図32）とバッテリー（補足図35a、補足表4）を含む、より大型のコントローラーを開発しました。大型の PCB とバッテリーを備えた SEMR UR2 (補足図 35c–f) は、最大速度 1.8 BL/s で泳ぐことができます (図 4k、補足図 35g、h、補足ムービー 10)。図1b、補足図1、補足表1および補足表2のアンテザードSEMRと他のロボットとの比較により、私たちのSEMRはランニングと水泳の両方で高速を備えているという結論につながります。ただし、アンテザード SEMR は、重量とサイズの増加 (補足表 5)、簡略化されたコントローラー設計、バッテリーの低パフォーマンスのため、テザード SEMR よりも遅くなり、これらすべてはさらなる最適化によって恩恵を受けることができます。アンテザード SEMR の詳細については、補足テキストを参照してください。

要約すると、我々は、電気制御インテリジェントシステムにおける多用途のアプリケーションに非常に適した、高い堅牢性、マルチモーダル移動、およびアンテザード動作を特徴とする超高速（最大 70 BL/s）の小型 SEMR を紹介しました。さらに、MRI 装置の内部などのより強力な磁場 28 は、SEMR の速度、出力、効率を大幅に向上させます 9。 3D 直接インク書き込みを使用した簡単でスケーラブルな製造により、電気制御インテリジェントシステムの多用途用途に非常に適しており、機敏性が最も重要な柔軟な微細製造、標的薬物送達、および非侵襲的手術のための将来の高性能マイクロロボットの開発を支援します。重要性5、29、30。

二層フィルムの製造用のエラストマーは、Ecoflex 00-30 (Smooth-On Inc.) とポリジメチルシロキサン (PDMS) (Sylgard 184、Dow Corning Inc.) 溶液を 1:10 の質量比で混合することによって調製されます。 Ecoflex ソリューションは、質量比 1:1 の Ecoflex パート A とパート B で構成されています。 PDMS 溶液は、質量比 1:10 の硬化剤と PDMS モノマーで構成されています。 Ecoflex および PDMS 溶液を混合し、減圧下でプラネタリーミキサー (DAC 600.2 VAC-P、Hauschild & Co. KG) で脱気します (350 mbar で 0 rpm で 1 分間、1500 rpm で 20 秒、および 2350 rpm で 20 秒) rpm）。次に、Ecoflex/PDMS 溶液を 60 °C または 80 °C のオーブンで 30 分間硬化させます。青色のエラストマーフィルムは上記のプロセスを使用して製造されますが、2 wt% の追加の着色粉末 (顔料粉末、Vitarie) を混合によって Ecoflex/PDMS 溶液に添加しました。

Ecoflex/PDMS 複合材料のせん断弾性率は、一軸引張試験から得られた応力-ひずみデータを当てはめることによって得られます (補足図 36a、ひずみ速度 40% min-1)。試験片の形状は欧州規格 EN ISO 527-2:1996 (タイプ 5 A) に基づいています。非圧縮性の Neo-Hookean 超弾性モデルの仮定の下では、Ecoflex/PDMS 複合材料のせん断弾性率は 66.5 ± 1.0 kPa です。

「ガリンスタン」としても知られる液体金属 (LM) は、質量比 69:22:9 のガリウム、インジウム、スズで構成されています (Smart Elements、smart-elements GmbH)。ガリンスタンの質量密度と電気抵抗率は、室温でそれぞれ約 6.44 g/cm3 と 2.89 × 10−7 Ω m です。 SEMA / SEMR（図1、補足図4）に挿入される電極は、直径150μmの錫被覆銅線（No.0601025、Kabeltronik）です。テザーロボットの場合、電流は 2 本の 50 µm 細銅線 (No. 1570224、TRU Components) を介してロボットに供給されます。

実験では NdFeB (N45) 製の磁石を 2 つ使用します。磁石 1: 寸法 ∅ 100 × 30 mm の円形プレート磁石 (SM-100×30-N、magnets4you GmbH)。磁石 2: 2 つの同一のプレート磁石 (3965、EarthMag GmbH) を重ね合わせたもので、全体の寸法は ∅ 120 × 100 mm です。マグネット 2 は、SEMR UL および UR2 の実験でのみ使用されます。実験とシミュレーションの両方から 2 つの磁石の磁場を取得しました。結果は補足テキストに記載されています。

ロボットの鋸歯状および長方形の足は、75 μm ポリイミド箔 (300HN、Kapton) をレーザー切断機またはメスで目的の形状 (補足図 13g) に切断することによって作成されます。 L 字型の足 (補足図 24a、b、補足表 3) は、SLA プリンター (Form 3、FORMLABS) で 3D 印刷されます。 2モジュールSEMRの場合、ゴム表面にフィットするように足がさらに変更されます（図4f、補足図28a、b）。

鋸歯状の基板は市販の FDM プリンタ (3 Extended、Ultimaker) で印刷されます。基板の形状は、図 1a および補足図 18 にあります。基板の材料は ABS Pro フィラメント (No.1528301、Renkforce) で、印刷層の厚さは 0.06 mm です。

サンドペーパー: サンドペーパーの粒度は、kwb Germany GmbH の 80 (Sp-p80)、180 (Sp-p180)、および 400 (Sp-p400) です。 PDMS: PDMS 溶液は、1:10 の質量比の硬化剤と PDMS モノマーで構成され、3D プリントされた型に注入され、60 °C のオーブンで 2 時間硬化されます。 PDMS フィルムの厚さは 2 mm です。用紙：オフィス用A4用紙。木材: バルサ板 (No. 1436844、Pichler) から切り出し。金属：磁石１の表面。プラスチック: ポリスチレンペトリ皿 (391-0556、VWR) から切り出します。ガラス：厚さ1.9mmの通常のガラス板。ゴム：ラテックス抵抗バンド（シルバー、THERABAND）

3D ダイレクトインク書き込み (DIW) プリンターの構造と主要部品を補足図 2 に示します。これは主に圧力ディスペンサー (Ultimus V、Nordson EFD) と商用溶融堆積モデリング (FDM) プリンター (CR- 10 V2、クリエイティビティ)。ディスペンサーは、内径 410 µm (7018298、Nordson EFD) または 200 µm (7018417、Nordson EFD) のテーパーチップに接続された FDM プリントヘッドに取り付けられたシリンジ (Optimeter最適 30CC、ノードソン EFD) に接続されます。 200 µm チップは SEMR UL にのみ使用されます。圧縮空気パイプラインと真空ポンプがディスペンサーに接続されており、それぞれ液体金属をシリンジの外に排出し、シリンジ内に保持します。ディスペンサーと FDM プリンターは、カスタマイズされたバージョンのアプリケーション OctoPrint を実行するシングルボードコンピューター (4 モデル B、Raspberry Pi) によって制御されます。小型のターボファンが液体金属トレースの表面の酸化を促進し、顕微鏡がチップと印刷面のギャップを調整します。ノズルと印刷面との隙間は約0.1mmです。印刷パターンの G コードは、手動またはカスタマイズされたスクリプトを使用して生成されます。

SEMA の製造では、スピンコーティングによって作成された初期厚さ約 350 μm のエラストマーフィルム上に LM が印刷されます。スピンコーティングのパラメーターは、補足図 36b および補足表 6 に示されています。厚さ 400 μm のゴムフレームが、印刷された LM トレースの上に注がれる未硬化エラストマー溶液の型として LM の周りに配置されます。ガラススライドを使用して余分なエラストマー溶液を除去します。続いて、二層フィルム (未硬化エラストマー溶液の層を含む) を真空チャンバー (100 mbar) 内で数分間、LM チャネルの周囲に気泡がなくなるまで脱気します。次に、二層フィルムをオーブン (80 °C) に 30 分間入れてエラストマー溶液を硬化させます。その後、金属電極が二層膜に挿入され、LM チャネルが接続されます。次に、エラストマー溶液の数滴が挿入された電極の位置の周囲に堆積され、LM の密閉性が向上します。二層フィルムを再びオーブン (60 °C) に 30 分間入れて、エラストマー溶液の数滴を硬化させます。最後に、外科用刃を使用して二層フィルムから SEMA を切り出します。 SEMA 2 を得るには、SEMA 1 からブレードを使用して小さな正方形領域 (1.4 mm × 1.4 mm) を切り出します。

青色二層フィルムは 6 つの主要な手順で製造されます (補足図 11)。まず、Ecoflex/PDMS/着色粉末の混合溶液 (「材料と特性」のセクションを参照) を PMMA 型内で 60 °C で 30 分間硬化させることにより、エラストマーフィルムが得られます。次に、レーザーカッターを使用して、準備したエラストマーフィルムから一連の穴を切り抜きました。これにより、3D プリントされたフレームに取り付けて事前ストレッチを適用できるようになります。異なるターゲットのプリストレッチには異なるフレームが使用されました。最上層フィルムを作製するために、１ｍｍのスペーサーを予め延伸したフィルム上に置き、混合エラストマー溶液を内部に注入した。スペーサー上の余分な溶液は、鋭利なプラスチックブレードによってフレームから除去されます。最上層フィルムの別の硬化プロセスは、60 °C で 30 分間実行されます。最後に、二層フィルムをメスでフレームから切り取り、湾曲させます。実験結果を補足図12に示します。

SEMRの製造では、LMは3Dプリントされたフレームに固定された延伸エラストマーフィルムに印刷されます（図1a、補足図13）。次の手順は、瞬間接着剤 (Ultra Gel Matic、Pattex) で 2 つの足を取り付けるまでは SEMA の製造と同様です。これらの SEMR の詳細については、補足テキストに記載されています。

制御システム（補足図6）は、Raspberry Pi 4 Model Bシングルボードコンピューター、Adafruit 16チャンネル（PCA9685）PWMドライバーボード、および複数のDigilent Pmod HB3 Hブリッジで構成されています。 PWM ドライバーと H ブリッジは両方とも、Raspberry Pi のオンボード 3.3 V レギュレーターによって電力を供給されます。制御ソフトウェアは Python で書かれ、Raspberry Pi 上で実行されます。 PWM ドライバーとの通信は、I2C バスによって容易に行われます。 PWM ドライバーは、プログラムに従って、指定された周波数とデューティサイクルを持つ方形波信号を生成します。これらの出力信号は、H ブリッジの EN (イネーブル) ピンを駆動するために使用されます。さらに、Raspberry Pi GPIO ピンは、H ブリッジの方向 (極性) を切り替えるために使用されます。 H ブリッジの入力端子はベンチトップ電源 (GPO-33030、GW Instek) に接続されており、H ブリッジを通過する最大電流を制限できます。各アクチュエータは、直径 0.05 mm の細いマグネットワイヤ (No. 1570224、TRU COMPONENTS) を介して H ブリッジの出力端子の 1 つに接続されています。

SEMAは磁石の表面に対して垂直に垂直に配置され、プラスチックの支持構造によってクランプされています（補足図7a）。 SEMA の最も低い液体金属チャネルは磁石の表面から約 6 mm 離れています。 SEMA は PWM 制御システムによって作動します。静的曲げ試験では、一定の DC 電流が SEMA に印加されますが、動的曲げの場合は方形波電流によって作動します（補足図 7e）。

数値シミュレーションは、商用ソフトウェア ABAQUS/Standard (SIMULIA、Dassault Systèmes) を使用して実行されます。延伸二層フィルム/SEMR をシミュレートするには、ユーザーサブルーチン UMAT が使用されます。サブルーチンの詳細については、補足テキストのセクション 1.1 を参照してください。「二層膜の数値シミュレーション」。 Neo-Hookean 超弾性材料モデルは、実験的特性評価から得られた 66.5 kPa のせん断弾性率を持つエラストマーの機械的挙動をモデル化するために使用されます。ポアソン比は 0.49 に設定されます。エラストマー内の LM の体積分率が低いため、シミュレーションでは、簡略化のために液体金属をエラストマーに置き換えています。

ロボットは、磁石の表面から約 11 mm 上の支持ホルダーに銅線でクランプされています (補足図 14a)。共振周波数解析は、信号源としてファンクションジェネレーター (33250 A、Agilent) を使用して実行されました。ファンクションジェネレータの出力は、最大 5 A の電流を供給できるベンチトップ電源 (EA-PS2316-050、EA Elektro-Automatik) によって電力供給されるカスタムメイドのバッファアンプ回路に供給されます。アクチュエータはアンプ出力によって直接駆動されます。 1 オームの高電力抵抗器 (HS150 1 R J、Arcol) がアクチュエータに直列に追加され、シャント抵抗器として機能します。これにより、オームの法則によりデジタルオシロスコープ (GDS-11048、GW Instek) を使用して電流波形を測定できるようになります。関数発生器はコンピュータによって制御され、周波数は 1 秒ごとに 1 Hz ずつ増加します。 1 ～ 100 Hz の範囲の正弦波電流と方形波電流の両方に対する応答がこの方法で測定されました。振動はデジタルカメラで記録され、ロボットの足の水平変位はカスタマイズされたスクリプト (MATLAB、MathWorks) を使用したビデオ分析によって取得されます。

SEMR の速度は、ビデオのフレームを分析することで測定されます。フレーム内のロボットの位置を特定するには、まずフレームを 2 値化し、白 (本体) と黒 (背景) の間のしきい値を調整して本体を分離します。次に、身体領域の中心または走行方向の境界の中心を計算することでロボットの位置を取得します。これらのプロセスはすべて、カスタムスクリプト (Python または MATLAB) を使用して実行されます。ロボットの位置は、コンピュータビジョンライブラリOpenCVやソフトウェア「Tracker」(https://physlets.org/tracker/)を使用して追跡することもできます。特に明記しない限り、測定速度は 50 ミリ秒にわたる平均速度として定義されます。

実験のセットアップは、歩行および走行テストに似ています。 SEMR TLを磁石の表面に貼り付けます。ロボットは、方形波電流 (0.2 A、1 Hz) の PWM 制御システムによって駆動されます。補足ムービー 5 では、SEMR TL は手動で押し下げられ、プラスチックの棒で平らにされた後、動作能力を回復します。このテストにおける最大の力は、ロボットを重量計 (GP3202、ザルトリウス) 上で平らにすることによって推定され、約 300 g に相当します。

SEMR TL の本体も、引張試験機 (Z005、ZwickRoell) によって最大 2000 N まで圧縮されます。試験中、SEMR の抵抗は、4 線抵抗測定法を使用してマルチメーター (2110、Keithley) によって記録されます。。

このセットアップは補足図 8 に示されています。熱電対は瞬間接着剤で SEMA の中心に接着されています。 SEMA 1 は、振幅 0.1 A、0.3 A、0.5 A の方形波電流にさらされます。SEMA は、測定の間に周囲温度まで冷却されるまで放置されます。各電流について、測定は 1000 秒間実行されます。

アンテザードロボットを駆動する小型および中型のPCB（補足図30および31）は、555バリアントのタイマー集積回路（IC）（MIC1555、Microchip）とnチャネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）で構成されています。）。タイマー IC は、外付け抵抗とコンデンサを介して無安定マルチバイブレータとして構成されます。これにより、出力で方形波信号が生成され、抵抗コンデンサ (RC) の時定数によって周波数が決まります。出力ピンは MOSFET のゲートに接続され、ロボットの接点はドレインに接続されます。電力は、強磁性材料（ニッケル箔なし）を使用せずに特別に設計されたリチウムポリマー電池によって供給されます。タイマーが High 信号を出力すると、MOSFET がオンになり、ロボットに電流が流れます。

大型の PCB (補足図 32) は、電圧レギュレーションの欠如や正の出力電圧への制限など、小型バージョンの欠点の一部に対処しています。これは、H ブリッジが統合されたモータードライバー IC (DRV8832、Texas Instruments) を追加することで容易になります。タイマーチップからの方形波出力信号は、ドライバー IC の 2 つの入力ピンのうちの 1 つに供給されます。もう一方の入力ピンは、インバータを介して同じ信号に接続されます。したがって、入力ピンは常に逆の論理値を持ちます。これにより、ドライバ IC は入力信号の半サイクルごとに「方向」を変更します。負荷は、H ブリッジ回路を介してバッテリー電圧と逆バッテリー電圧に交互に接続されます。電圧レギュレーションは、入力電圧を設定値以上に維持するために PWM 変調に切り替えることによって負荷側で実現されます。これにより、出力電力は低減されますが、駆動周波数は安定したままになります。バッテリーの過放電を防ぐ効果もあります。

私たちはすべての PCB を KiCad EDA ソフトウェア (https://www.kicad.org/) を使用して設計し、描画しました。

この作業では 3 種類の非磁性リチウム電池が使用されています (補足表 4)。測定では、バッテリーをソースメーター (2611 A、Keithley) に直列に接続し、オシロスコープ (GDS-1104B、GW Instek) に並列に接続します。ソースメーターは 500 ms の負の電流パルスを提供します (デバイスは電流をシンクします)。電圧はオシロスコープを使用してバッテリー端子間で直接測定されます (基本的には 4 線式検出)。最初の測定は、開放電圧 \({V}_{{{\rm{open}}}}\) です。 2 番目の測定 \({V}_{{{\rm{pulse}}}\) は、パルスの開始から 100 ミリ秒後に取得されます。バッテリーの内部抵抗は次のように計算されます \({R}_{{{{{{\rm{in}}}}}}}=({V}_{{{\rm{open}}}}- {V}_{{{\rm{pulse}}}})/I\)。

ほとんどの光学顕微鏡画像は、Nikon Eclipse LV100ND 顕微鏡を使用して記録されました。補足図3gは、接眼カメラBRESSER MikrOkularを備えた光学顕微鏡BRESSER Erudit DLX（No.5102000）によって記録されています。特に明記しない限り、写真とビデオにはデジタルカメラ (EOS 80D、Canon) を使用し、フレームレート 50 fps、解像度 1920 × 1080 ピクセルで使用しました。水泳ロボット SEMR TST の側面図は、同じパラメータで別のカメラ (GC-PX10、JVC) によって記録されました。すべてのスローモーションビデオは高速カメラ (Chronos 2.1-HD、Krontech) で記録されました。それらのほとんどは、解像度 1280 × 720 ピクセル、フレームレート 2142 fps で記録されました。 2つの方形波電流（0.5A、37Hz）を受けたSEMRの振動を特徴とする実験（図2h）は、フレームレート4230fps、解像度1280×360ピクセルで記録されました。振動減衰テスト (補足図 40) の場合、ビデオは 5406 fps のフレームレート、640 × 480 ピクセルの解像度で記録されました。

論文の結論を評価するために必要なすべてのデータは、論文および/または補足資料に記載されています。この論文に関連する追加データは著者に要求される場合があります。

この文書で使用されているコードは、合理的な要求があれば入手できます。

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実験に協力してくれた Andreas Heiden、David Preninger、Reinhard Schwödiauer、Simona Bauer-Gogonea、そして精神的なサポートをしてくれた Christa Mitschan に感謝します。また、振動について貴重な議論をしていただいた浙江大学の Yong Wang 氏にも感謝いたします。この研究は、補助金契約番号 2 に基づく ERC 開始補助金「GEL-SYS」によって支援されました。 757931 (MK)。

Guoyong Mao、David Schiller などの著者も同様に貢献しました。

ソフトマテリアルラボ、リンツ工科大学、ヨハネスケプラー大学、Altenberger Str. 69、4040、リンツ、オーストリア

グオヨン・マオ, デヴィッド・シラー, ドリス・ダニンジャー, ベケレ・ハイレグナウ, フロリアン・ハートマン, トーマス・ストッキンガー, マイケル・ドラック, ニキータ・アーノルド & マーティン・カルテンブルナー

ヨハネス・ケプラー大学実験物理学研究所ソフトマター物理学部門、アルテンベルガー通り 69, 4040, リンツ, オーストリア

デヴィッド・シラー、ドリス・ダニンジャー、ベケレ・ハイレグナウ、フロリアン・ハートマン、トーマス・ストッキンガー、マイケル・ドラック、ニキータ・アーノルド、マーティン・カルテンブルナー

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GM、NA、MK がこのプロジェクトを発案し、開始しました。 GMがロボットを設計した。 DS は電子コントローラーを開発しました。 GMが数値解析を行った。 NA と GM は理論的枠組みを開発しました。 GM、DS、DD、BH、FH、TS、MD が実験を実施しました。 GM、DS、DD、BH、NA、MK が結果を分析しました。 GM と MK は、すべての著者からのコメントと資料を加えて原稿を書きました。 MKが研究を監督しました。

Guoyong Mao または Martin Kaltenbrunner への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

マオ、G.、シラー、D.、ダニンガー、D. 他。超高速小型軟電磁ロボット。 Nat Commun 13、4456 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

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受信日: 2022 年 3 月 15 日

受理日: 2022 年 7 月 18 日

公開日: 2022 年 8 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

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