(57)【要約】      （修正有）【課題】ハード部品を有する再構成可能なソフトロボットアクチュエータを提供する。【解決手段】加圧により作動可能な可撓性モールドボディと他の可撓性モールドボディおよび／またはハード部品（例えばフレームやコネクタ）とを磁気吸引力で結合し、流体連通と協調的な作動のための封止部が形成される。ハード部品内に構築され、磁気結合したソフトモールドボディからハードコンポーネントを分離する空気圧分離用チャンバについて説明する。磁石の自己整合的結合と空気圧による分離とを利用することにより、ハード部品とソフト部品を含む複雑な構造の組立て・解体を遠隔操作で行うことができる。磁気結合により、修理、新規構造の試験および新規タスクの実行のために、ソフト−ハードハイブリッドロボットを迅速かつ可逆的に再構成することが可能となる。【選択図】図１
2019051589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再構成可能なロボットデバイスであって、
可撓性ボディとハード部品とを備え、
前記可撓性ボディは、（ａ）該可撓性ボディ内に配置され、第１入口に流体接続された少なくとも１つのチャンバ、ここで前記可撓性ボディは、圧縮により作動可能である、（ｂ）前記可撓性ボディ内に埋め込まれ、前記第１入口の近傍に配置された第１磁気接続部とを有し、
前記ハード部品は、（ａ）第２入口を有する剛体と、（ｂ）前記第２入口の近傍に配置された第２磁気接続部とを有し、
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部は、互いに弾性的に接触して前記可撓性ボディと前記ハード部品との間を封止し、前記第１入口と前記第２入口との間を流体連通させる
ロボットデバイス。
【請求項２】
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部は、それぞれ磁石または強磁性体材料であり、
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部の少なくとも一方は、磁石である、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項３】
前記ハード部品は、フレームに固定されている、
請求項１または２に記載のロボットデバイス。
【請求項４】
前記フレームは、前記複数のハード部品を、それぞれ可撓性ボディに弾性的に接触した状態で固定する、請求項３に記載のロボットデバイス。
【請求項５】
前記ハード部品は、前記フレームと一体である、
請求項３または４に記載のロボットデバイス。
【請求項６】
前記ハード部品は、前記フレームの上に機械的に固定されている、
請求項３または４に記載のロボットデバイス。
【請求項７】
前記フレームは、前記複数のハード部品を、互いに所定位置に固定する、
請求項４に記載のロボットデバイス。
【請求項８】
前記剛体は、壁と床とを有し、第１入口を含む可撓性ボディの端部を収容する大きさとされたキャビティを画定する、
請求項１から７のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項９】
前記第２磁気接続部は、前記キャビティの壁に位置する、
請求項８に記載のロボットデバイス。
【請求項１０】
前記第２磁気接続部は、前記キャビティの床に位置する、
請求項８に記載のロボットデバイス。
【請求項１１】
前記ハード部品は、前記可撓性ボディとは独立して作動可能な膨張式ブラダを含むように構成され、
前記膨張式ブラダは、少なくとも部分的に、前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部との間に配置された
請求項１から７のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項１２】
前記膨張式ブラダは、加圧により作動して、前記可撓性ボディと前記ハード部品とを切り離すことができる、
請求項１１に記載のロボットデバイス。
【請求項１３】
前記第２磁気接続部は、前記膨張式ブラダ内に収容されている、
請求項１１に記載のロボットデバイス。
【請求項１４】
センサをさらに備えた、
請求項１から１３のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項１５】
センサをさらに備えた、
請求項１から１４のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項１６】
貨物を保存するモジュールをさらに備えた、
請求項１から１５のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項１７】
前記可撓性ボディはロボットレッグとして機能するように構成された、
請求項１から１６のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項１８】
前記可撓性ボディは、グリッパとして機能するように構成された、
請求項１から１７のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項１９】
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部との間に設けられた電気接続部をさらに備えた、
請求項１から１８のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項２０】
前記可撓性ボディはモールドボディである、
請求項１から１９のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項２１】
前記ハード部品は、３Ｄ印刷された部品である、
請求項１から２０のいずれか１項に記載のロボットデバイス。
【請求項２２】
再構成可能なロボットデバイスを組み立てる方法であって、
可撓性ボディとハード部品とを準備する工程であって、前記可撓性ボディは、加圧により作動可能であり、（ａ）第１入口に流体連通し、モールドボディ内に配置された少なくとも１つのチャンバと（ｂ）前記可撓性ボディ内に埋め込まれて前記第１入口の近傍に配置された第１磁気接続部とを備え、前記ハード部品は、第２入口を有する剛体と（ｂ）前記第１入口の近傍に配置された第２磁気接続部とを有する工程と、
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部との間に作用する磁気吸引力により、前記可撓性ボディを前記ハード部品に結合する工程と
を含む方法。
【請求項２３】
前記可撓性ボディを前記ハード部品に結合する前または後に、前記ハード部品を剛体フレームに固定する工程をさらに含む、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
再構成可能なロボットデバイスを解体する方法であって、
可撓性ボディとハード部品と膨張式ブラダとを備えたロボットデバイスを準備する工程であって、前記可撓性ボディは（ａ）第１入口に流体連通し、モールドボディ内に配置された少なくとも１つのチャンバと（ｂ）前記可撓性ボディ内に埋め込まれて前記第１入口の近傍に配置された第１磁気接続部とを有し、前記ハード部品は（ａ）第２入口を有する剛体と（ｂ）前記第１入口の近傍に配置された第２磁気接続部とを有し、前記膨張式ブラダは、前記可撓性ボディとは独立して差動可能であって少なくとも一部が前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部との間に配置された工程と、
前記膨張式ブラダを作動させる工程であって、前記膨張式ブラダは、加圧により膨張し、前記可撓性ボディと前記ハード部品とを分離する工程とを含み、
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部は、互いに弾性的に接触して前記可撓性ボディと前記ハード部品との間を封止すると共に前記第１入口と前記第２入口との間で流体連結している
方法。
【請求項２５】
再構成可能なロボディックデバイスを作動させる方法であって、
請求項１から２１のいずれか１項に記載のデバイスを準備する工程と、
前記デバイスを外部圧力源に接続する工程と、
前記デバイスを加圧し、前記可撓性ボディ内に配置された少なくとも１つのチャンバを作動させる工程とを含む
方法。
【請求項２６】
組み立ておよび解体できる再構成可能なロボットデバイスであって、
第１磁気接続部を有する第１可撓性ボディと、
第２磁気接続部を有する第２ハードボディと、
前記第１可撓性ボディと第２ハード部品との間に、少なくとも部分的に配置された膨張式ブラダとを備え、
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部は、互いに弾性的に接触して前記可撓性ボディと前記ハード部品との間を封止でき、
前記ブラダは、加圧により膨張し、前記可撓性ボディと前記ハード部品とを分離する
ロボットデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国特許法１１９条（ｅ）の下、２０１３年３月４日に出願された同時係属出願（６１／７７２，１８３）に対する優先権を主張するものであり、その内容はすべて参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（参照組み込み）
本明細書で引用しているすべての特許出願と公開文献はすべて参照により本明細書に組み込まれ、本明細書に記載した発明の発明日の時点で当業者に知られた最先端の技術を完全に記載している。
【０００３】
（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。
【背景技術】
【０００４】
この技術は、ハード部品を有する再構成可能な可撓性アクチュエータに関する。特に、本発明は、ソフトロボットマニピュレータとハードモジュール部品との組み合わせに関する。
【０００５】
「ロボット」の一例として、自動的に制御され、プログラム可能である多目的のマニピュレータがある。ロボットは、固定位置で、あるいは動作の中でその機能を果たすことができる。ロボティクスは、非常に重要な分野（そして成長分野）であり、アセンブリから外科手術にまで及ぶ分野に属する。
【０００６】
多くのロボットシステムは「ハード（硬質）」であり、すなわち、既存のベアリングをベースとしたジョイントを有する金属構造からなる。これらの構造は、しばしば、動物の手足に倣って成形されている（ただし、移動ロボットでは、ホイールやトレッドといった自然界で発見されていない構造も一般的に存在する）。
【０００７】
ソフトロボットアクチュエータは、自然界に創造性を見出している。例えば、（イカやヒトデなど）骨格を有しない動物により、ロボット構造における新しい機会が得られ、また、軟らかい（または壊れやすい）物を握るといったハードロボットでは取り組むことが困難な課題に対する解決手段が得られる。イカや他の無脊椎動物が用いる作動機構と移動機構は、弾性（例えば「軟らかい」）構造と作動要素（例えば静圧作動部）に依存し、これらは一般に脊椎動物には存在しない。ソフトアクチュエータは、移動のために空気圧システムまたは水圧システムを用い、作動、把持、センシング、移動その他の機能のために、生体模倣や非生体模倣構造を提供する。
【０００８】
過去数年以上、ソフトロボットを用いたマニピュレータが、その幅広い利用可能性のために大きな関心を生み出してきており、その利用可能性は「ハード」ロボットに匹敵するものである。例えば、ソフトロボットは壊れやすい物体（例えば卵）を扱うことができる。なぜなら、ソフトロボットの表面は対象の物体の形状にコンフォーマルな形状をとることができるからである。また、ソフトロボットは、ハードロボットにとっては困難な場所にも適合できる。例えば、ソフトロボットは、収縮してドア枠の下に適合できる。さらに、ソフトロボットは、ハードロボットでは移動困難な環境内を移動できる。例えば、ソフトロボットは、固くない表面（例えば泥や粘度、ゲル、あるいは水などの流体）の上を移動できる。
【０００９】
グリッパ（把持装置）やテンタクル（触手）といったソフトロボットは、複雑なセンサフィードバックシステムを用いることなく、高度な動作を行うことができる。ソフトロボットの複雑な動作は、空気圧の入力により開始でき、また、エラストマーの組み合わせと、エラストマーデバイス内に存在する空気圧網（ネットワーク）の形状とにより、予めプログラムすることができる。ソフトロボットは、ソフトリソグラフィを用いて低コストで製造でき、また、壊れやすい物（例えば生卵）の扱いに適している。
【００１０】
ソフトリソグラフィは、ラピッドプロトタイピングと内部に設けられた空気圧網の複製とを可能にする技術であるので、ソフトロボットの製造に用いることができる。平面状の（または単純な）体制を有するこうしたソフトロボット、例えばグリッパ、ウォーカーおよびテンタクルは、シリコーンエラストマーを材料とし、ソフトリソグラフィを用いて迅速に製造できるが、これらのロボットは容易に再構成できない。
【００１１】
さらに、ソフトロボットの能力を拡張してロボットシステムの製造を改善するためには、複合材料（例えば熱可塑性材、金属）の組み込み、あるいはソフトリソグラフィの一工程だけで直接に成形するのは困難である複雑な三次元空気圧網を設けることが必要である。硬質材料の多くの特性（例えば高い剛性、高い熱伝導率、高い耐摩耗性）は、軟質材料または可撓性材料を用いて複製するのが不可能ではないが困難である。金属や硬質プラスチックでモジュールを製造するため、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）フライスや射出成型といった方法を用いることができる。試作用の硬質熱可塑性材（熱可塑性樹脂）には３Ｄ印刷が好都合である。なぜなら、三次元チャネルの複雑なネットワークが内部に設けられた装置を迅速に製造可能だからである。
【００１２】
同一または異なる材料で作成した２つのモジュールを接続してロボットを形成するための（例えば化学的、機械的、磁気的な）種々の方法が存在する。２つのモジュールを結合させるため、その界面に化学的な接着剤を塗布できる。しかし、永久的な接着剤により組み立てられた構造は、元の装置を損傷せず解体するのは容易でない。可逆的（リバーシブル）な接着剤には特有の制限があり、結合を断つには加熱を必要とすることが多い。ハードロボティクスにおけるボルトやナックル継ぎ手といった機械的な接続は、頑丈で可逆的であるが、こうした接続には適合部位同士を結合するための正確なアライメントが必要となる。従って、遠隔操作でまたは自動で組立て・解体を行うには、センサ、フィードバック、および制御用の高性能システムの利用が必要となる。
【発明の概要】
【００１３】
ハード部品（コンポーネント）を有する再構成可能なソフトロボットアクチュエータ（例えばハード−ソフト「ハイブリッド」ロボットについて説明している。本開示におけるこれらの（および他の）態様と実施形態について以下で図示、説明する。
【００１４】
或る実施形態では、弾性ボディもしくは伸縮性ボディ（例えばソフトモールドボディ）内に埋め込まれたチャネルの圧縮可能網またはチャンバの整合（アライメント）および／または結合（接続、連結）を行う磁気部品の利用について説明する。他の実施形態では、ソフトモールドボディを他のハード部品（例えばフレームとコネクタ）に磁気結合し、複雑な構造を構築する。磁気結合は、磁石を結合対象の部品内に埋め込んで、反対極が露出して磁気吸引力で結合するようにして達成される。磁石は永久磁石であっても電磁石であってもよい。ただし、永久磁石を用いることにより、持ち運びが容易になる。磁石の位置、大きさおよび形状は、パーツの結合により内部の空気圧チャネルが自己整合（セルフアライメント）するように選択される。例えば、第１の磁石は、第１のソフト部品内に設けられた空気圧チャンバにつながる入口付近に配置され、相補的な形状を有する第２の磁石は、第２のソフト部品内に設けられた空気圧チャンバにつながる第２の入口付近に配置されている。磁石の位置は、第１磁石と第２磁石とが接触したときに、第１の入口と第２の入口が一直線に並んで弾性封止部を形成するように選択される。同様の構造を用いて、ハード部品とソフト部品を結合することができる。
【００１５】
ソフト部品とハード部品は可逆的に結合できる。幾つかの実施形態では、ソフト部品とハード部品とを外力により分離できる（例えばパーツを手動で分離できる）。他の実施形態では、磁気結合した部品同士を遠隔操作により分離できる。例えば、ハード部品のフレーム（またはコネクタ）内に空気圧分離用チャンバが構築され、磁気結合したソフトモールドボディからハード部品が分離される。静止状態では、分離用チャンバは収縮しており、ハード部品とソフト部品の間に配置されたハードボディの表面と同一平面上に位置する。ソフトボディからハードボディを分離するために、分離用チャンバは膨張する。これにより、ソフト部品は、膨張すると共に、相補的な磁石の磁気吸引力に打ち勝つのに充分にハード部品から離れた位置に移動する。
【００１６】
磁石の自己整合的結合と空気圧による分離とを利用することにより、ハード部品とソフト部品を含む複雑な構造の組立て・解体を遠隔操作で行うことができる。磁気結合により、修理、新規構造の試験および新規タスクの実行のために、ソフト−ハードハイブリッドロボットを迅速かつ可逆的に再構成することが可能となる。遠隔操作による作動、組立ておよび解体の機構は、遠隔環境または危険環境での探査や、危険な化学物質、製品を離れた位置から処理するといった用途に関連する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
添付の図面を参照しながら本発明を説明する。図面は単に例示を目的としたものであって発明の範囲を限定することを目的としたものではない。
【００１８】
【図１】モジュールアセンブリのアライメントまたは結合に用いられる２つの異なる磁気構成を示す概略図である。
【図２−１】モジュールを解体（または分離）するために磁気ハードコネクタ（膨張式コネクタ）に組み込まれた空気圧作動型ブラダの構造を示す。
【図２−２】モジュールを解体（または分離）するために磁気ハードコネクタ（膨張式コネクタ）に組み込まれた空気圧作動型ブラダの構造を示す。
【図３】リング型磁石を用いたソフトモジュールの組立ておよび利用態様を示す（図３Ａと図３Ｅの破線部は磁気界面を示す）。図３Ａは、２つのソフトレッグからなり垂直方向に伸びたアセンブリであって、それぞれ同一のネオジム鉄ボロン（ＮｄＦｅＢ）リング型磁石が逆向きに配向したものを示す。図３Ｂから図３Ｄは、２つのソフトレッグからなるアセンブリの空気圧作動を示す。垂直方向（図３Ｂ）、水平方向（図３Ｃ）に伸びたアセンブリの対向する面に歪制限層が位置し、図３Ｄでは水平方向に伸びるアセンブリの同じ面に歪制限層が位置する。図３Ｅは、ソフトテンタクルとソフトグリッパからなり垂直方向に伸びたアセンブリを示す。図３Ｆから図３Ｈは、テンタクルの中央チャネルを介したグリッパの空気圧作動により球を拾い上げる状態を示す。
【図４】ソフトロボット−ハードロボットの再構成と移動を示す。図４Ａは六本脚ロボットの平面図を示す。図４Ｂは四本脚ロボットの平面図である。図４Ｃと図４Ｄは、六角形ボディの周りで四本のソフトレッグを互いに異なる配置とした場合の平面図である。図４Ｅと図４Ｆは、それぞれ、異なる大きさを有するレッグ、異なる材料から作成されたレッグ（アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）熱可塑性樹脂から作成されたハードシューズを有するソフトレッグ）を組み立てて成る四本脚の平面図である。図４Ｇは、図４Ｄとは異なる形状（テーパ付の先端部）を有する４つのソフトレッグを組み立てて成る四本脚の側面図である。ロープで接続された図４のソフト−ハード四本脚が、平坦であって固く滑りにくい表面の上を、各図の左下に示す時間だけ）移動する（左から右に）状態を示す。
【図５】周囲環境を調査するための可撓性光学センサが設けられた四本脚ウォーカーを示す。図５Ｂから図５Ｇの右上に位置する差込図は、ソフトテンタクルの側方チャネルの作動状態を概略的に示す。各長方形は側方チャネルを示す。図５Ａは、移動式探査装置のモジュールを示す。図５Ｂは、組み立てられた移動式探査装置を示す。図５Ｃから図５Ｇに示すように、ソフトテンタクルに設けられた側方チャネルの空気圧作動により、三次元空間の広い角度範囲でビデオカメラを配置できる。図５Ｈから図５Ｉでは、探査装置が、白いStyrofoam（登録商標）のカップに向かって移動する。図５Ｊでは、ソフトテンタクルを作動させることにより、カップの内側が見える位置にビデオカメラが配置される。図５Ｊの左下の差込図は、カップの内側に書かれた隠しメッセージ「ＧＭＷ Ｇｐ」をビデオカメラから見た図である。
【図６】空気圧トリガを用いて六本脚ロボットを変形させ四本脚ウォーカーとする状態を示す。図６Ａから図６Ｅは、移動中のソフト−ハードロボットの正面図を示す。各図の右上と右下の差込図はそれぞれ、種々のモジュールの作動状態を示す平面図と概略図である。移動中の六本脚ロボットにおける前脚と後脚の作動状態は、図を明瞭にするために削除している（白い長方形のブロック）。縦にストライプが入った暗い長方形のブロックは膨張式コネクタの作動状態を示し、隣接するグレーの長方形のブロックは、膨張式コネクタに接触するソフトレッグを示す。図６Ａと図６Ｂは、膨張式コネクタに接続される２つのソフトレッグの空気圧作動を示す。図６Ｃと図６Ｄでは、コネクタのブラダを膨張させることにより、ソフトレッグとの磁気接続が断たれる。図６Ｅでは、２つのソフトレッグを取り外すことにより、六本脚ロボットが四本脚ウォーカーに変形する。
【図７】空気圧作動を用いて貨物を積み込み、輸送し、降ろす運搬装置を示す。図７Ａから図７Ｊはロボットの斜視図を示す。図７Ｂから図７Ｊの右上の差込図は、ロボットの種々の部品の作動状態を概略的に示す。中央にある暗い円は中央チャネルを示し、暗く小さい長方形は、ソフトテンタクルに設けられた４つの側方チャネルのうちの１つを示す。縦にストライプが入った長方形のブロックは膨張式コネクタを示し、外側にあるグレーのブロックはハードコンテナを示す。移動中のロボットにおける前脚と後脚の作動状態は、図を明瞭にするために削除している（白い長方形のブロック）。縦にストライプが入った暗い長方形のブロックは膨張式コネクタの作動状態を示し、隣接するグレーの長方形のブロックは、膨張式コネクタに接触するソフトレッグを示す。図７Ａと図７Ｂでは、空気圧作動される四足歩行運搬装置がターゲット（球）へ向かって移動し、その後ターゲットの前方で停止する。図７Ｃでは、空気圧作動されるソフトテンタクルの頂部が、磁気コネクタを用いてソフトグリッパに接続される。図７Ｄから図７Ｇでは、組み立てられたテンタクル−グリッパがターゲットを拾い上げて左側の輸送用コンテナに積み込む。図７Ｈ、図７Ｉは、膨張式アダプタの作動により貨物用コンテナが降ろされる。図７Ｊでは、貨物の搬送が完了する。
【図８−１】ＮｄＦｅＢリング型磁石と一緒に埋め込まれたソフトモジュールを示す。図８Ａは、ＮｄＦｅＢリング型磁石と一緒に埋め込まれたソフトレッグの磁気界面のＭ−Ｎ線に沿った断面図である。図８Ｂは、ＮｄＦｅＢ磁石と一緒に中心に埋め込まれたソフトグリッパの平面図である。図８Ｃは、ソフトレッグとソフトグリッパの磁気界面の概略断面図である。
【図８−２】ＮｄＦｅＢリング型磁石と一緒に埋め込まれたソフトモジュールを示す。図８Ｄは、４つの側方チャネルを有する改変されたソフトテンタクルの側面図である。右下の差込図は、改変されたテンタクルの底部に埋め込まれた４つの鋼球を示す。右上の差込図は、ＮｄＦｅＢリング型磁石と一緒に埋め込まれたソフトテンタクルの頂部の拡大図である。図８Ｅと図８Ｆは、ソフトテンタクルの底部と頂部の概略断面図である。
【図９−１】ハードモジュールの設計と組立てを示す。図９Ａから図９Ｃは、六角形ハードフレームの平面図、拡大図および側面図である。図９Ｄから図９Ｆは、磁気ハードコネクタの平面図、底面図および側面図である。図９Ｄで、破線の枠は、ＮｄＦｅＢリング型磁石を覆うEcoflex 0030の薄膜を示す。側方アダプタの中央を通る開口チャネルは、表面と裏面とを接続し、磁石埋め込み型ソフトアクチュエータ（図示せず）用の吸気口として機能する。図９Ｅと図９Ｆで、破線の枠は、六角形ハードフレームの側方ソケットに適合する磁気ハードコネクタの一部を示す。
【図９−２】ハードモジュールの設計と組立てを示す。図９Ｇから図９Ｉは、ソフトテンタクル用の中央ハードアダプタの設計と組立てを示す。中央アダプタは２つの同一のアーチからなり、それぞれ最大３つの磁石を収容できる。図９Ｇは、組み立てられた中央アダプタの平面図を示す。破線はソフトテンタクルに接続されるソケットを示す。図９Ｈは、中央アダプタ内にあるＮｄＦｅＢ球磁石を収容するポケットと、磁石を封止する蓋アンカー（蓋固定部）の斜視図である。図９Ｉは、中央ハードアダプタの断面図（すなわちアーチの側面図）である。図９Ｊから図９Ｌは、側方アダプタとの結合用に埋め込まれたＮｄＦｅＢリング型磁石を有するハードコンテナの平面図、正面図および側面図である。
【図９−３】ハードモジュールの設計と組立てを示す。図９Ｍから図９Ｏは、中央アダプタ、六角形フレーム、６つの磁気コネクタおよび２つのコンテナから構成され、手動で組み立てられたハードボディの平面図、斜視図および底面図である。
【図１０】リング型磁石により接続された２つのソフトモジュールを分離するために必要な最小の引張強度についての測定結果を示すグラフである。
【図１１】磁気界面を介して導通させるためのソフトモジュールのアセンブリを示す。図１１Ａは、アルミ箔の薄片を用いて磁気界面に接続されたソフトマニホールドの中央部に収容されたバッテリ電源（１．５Ｖ×３個）を示す。図１１Ｂで、各ソフトレッグは、一端に埋め込まれたＬＥＤと他端に埋め込まれたリング型磁石とを有する。ＬＥＤは、アルミ箔の薄片を用いて、各レッグの磁気界面の外側に接続されている。図１１Ｃは、完全に組み立てられたソフト機械の平面図であって３つのＬＥＤ（赤、橙、緑）を駆動した状態を示す。図１１Ｄは、埋め込まれたＬＥＤであって２つのソフトレッグの空気圧作動中に駆動された状態を示す。レッグには、マニホールド内に設けられた吸気口の１つを通じて圧縮空気が供給された。
【図１２】（Ａ）引張荷重と（Ｂ）せん断荷重に対する磁気吸引力を、２つのＮｄＦｅＢリング型磁石間の距離の関数として示す。凡例は、各測定で用いた磁石対の組み合わせを示す。Ｓ、Ｍ、Ｌはそれぞれ、寸法（外径×内径×厚さ）が１／４”×１／８”×０．１”、３／８”×１／８”×０．０６”、３／８”×１／８”×０．１”のリング型磁石を示す。先頭のｈ（ハード）とｓ（ソフト）は、リング型磁石を埋め込むモジュールの材料を示す。各図の右側には、荷重印加の下、２つの磁石の間で生じる相対変位を簡略化して示している。「テンタクル」は、ソフトテンタクルと中央ハードコネクタとの間での磁気接続を表しており、四対のリング型磁石を含んでいる（すなわち４×sS_hS）。
【図１３】伸縮式ソフトレッグの製造を示す。
【図１４】ソフトテンタクルの製造用の上部型と底部型の組立てを示す。図１４ａで、上側モールドの部品は、側方チャネルを形成するための４つの挿入部（パーツＤ）と、中央チャネルを形成するための１つの挿入部（パーツＥ）と、円筒の壁を構成するように結合した３つのアーチ状挿入部（パーツＦ）と、パーツＥを最終アセンブリの中央に位置決めするために用いられるリング状ホルダ（パーツＧ）と、パーツＥと４つのパーツＤとの間で一定距離を維持するためのキャップ状ホルダ（パーツＨ）とを有する。図１４ｂは、液状プレポリマーで充填された底部モールドアセンブリを示す。図１４ｃでは、パーツＤ（×４）、パーツＥ（×１）およびパーツＦ（×２）が、液状プレポリマーで充填された底部型アセンブリに挿入される。図１４ｄでは、アセンブリが９０°傾斜し、すぐに液状プレポリマーで充填される。図１４ｅでは、液状プレポリマーで充填されたパーツＦが図１４ｄに示す型の結合体に挿入され、アセンブリはすぐに垂直位置に戻される。
【図１５】ソフトテンタクル内に磁石を埋め込むプロセスを、テンタクルの写真と対応する概略長手断面図で示す。図１５Ａは、テンタクルの側方チャネルに挿入されるパーツＩ（全部で４つ）と、底部で側方チャネルの吸気口と一直線に並んだスルーホールとを示す。図１５Ｂは、底部のポケットに挿入され、液状プレポリマーで充填された４つのＮｄＦｅＢリング型磁石を示す。図１５Ｃでは、テンタクルの吸気口と、パーツＩのスルーホールと、リング型磁石の中空部とを一直線に並べるように針が挿入される。図１５Ｄは、可撓性光学センサに用いられるテンタクルの拡大平面図である。図１５Ｅは、磁石埋め込み型ソフトグリッパに磁気結合することを意図したテンタクルの上部に挿入されるＮｄＦｅＢリング型磁石を示す。
【図１６】ソフトテンタクルの空気圧網を示す概略図である。
【図１７】テンタクル−グリッパを長手軸に平行な方向から見た概略断面図である。
【図１８】異なる４つのパーツからなるソフトテンタクルを固定するための中央コネクタのアセンブリを示す。図１８ａは、中空部をコネクタの周縁部に接続する４つの開口チャネルが設けられた中央ハブと、周縁部の４面にそれぞれ設けられた長方形状凹部を示す。図１８ｂは、中央コネクタの周縁部に設けられた４つの長方形状凹部にそれぞれ適合する相補的なペグ（くぎ）を有するブリッジアダプタ（赤い破線のボックス）を示す。図１８ｃは、リング型磁石（中央チャネルにポリエチレンチューブが挿入されている）を収容したホルダ（リング型磁石の寸法：外径１／４”×内径１／８”×厚さ０．１”）を示す。図１８ｄは、中央コネクタの４つの開口チャネルのそれぞれに磁石ホルダを収容するキャップを示す。図１８ａから図１８ｃの差込図は、中央コネクタの種々のパーツを複数の角度から見た図を示す。図１８ｅでは、４つのブリッジアダプタが、ペグ−凹部ジョイントを介して中央コネクタの周縁部に接続される。４つの磁石ホルダは、中央コネクタの開口チャネルの内側に挿入される（図１８ｆ）と共に収容される（図１８ｇ）。図１８ｈは、完全に組み立てられた中央コネクタを示す。
【図１９】膨張式コネクタを製造する手順を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ソフトロボットは、チャネルまたはチャネル網が埋め込まれた可撓性モールドボディ（成形体）を有する。「軟らかい（ソフトな）」モールドボディの一部は、弾性的に伸縮可能な材料からなり、また一部は、当該材料に対する歪みを制限する。ソフトボディを有するロボットデバイスは、相互接続したチャネルを流れる流体を受容するように構成された圧縮口を有する。ソフトボディを有するロボットデバイス内のモールドボディは、相互接続されたチャネルが流体により圧縮されたときに優先的に膨らみ、これによりモールドボディが歪制限部の周りで屈曲するように構成されている。通常、ソフトモジュールは、モールドボディの中空チャンバを空気で圧縮することにより作動する。このとき、ロボットの質量全体に対して空気が与える影響はわずかであり、空気により、移動中のロボットに対する質量の負荷が軽減する。こうした埋め込みチャネルを圧縮することにより、軟らかいエラストマーは広範囲の多用途な動作を行うことができる。こうしたソフトロボットアクチュエータの詳細については、ＰＣＴ出願(US11/6172)に開示されている。同ＰＣＴ出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２０】
平面状の（または単純な）体制を有するこうしたソフトロボット、例えばグリッパ、ウォーカーおよびテンタクルは、シリコーンエラストマーを材料とし、ソフトリソグラフィを用いて迅速に製造できるが、これらのロボットは容易に再構成できない。さらに、ソフトロボットの能力を拡張してロボットシステムの製造を改善するためには、複合材料（例えば熱可塑性材料、金属）の組み込み、あるいは一工程で直接に成形するのは困難である複雑な三次元空気圧網を設けることが必要である。
【００２１】
一態様では、再構成可能なロボットは、磁気結合（「磁気界面」とも称される）を用いてハードフレーム（ハードモジュール）に可逆的に取り付けられる。ソフトモジュールとハードモジュールに磁石を埋め込むことにより、同一または異なる複数の材料からなる単純なコネクタ装置が得られる。さらに、磁気接続は強くなるが可逆的であり、この可逆性により、種々のタスクを実行しかつ新規構造を試すためにロボットを迅速に再構成することが可能となる。さらに、磁気界面が自己整合することにより、２つの相補的なユニットを組み立てるための正確な三次元制御に対するニーズが緩和される。ハードフレームは、ハード／ソフトハイブリッドロボットに機械的強度または剛性を付与し、所望の向きにソフトモジュールを固定することを可能にし、かつ／または、追加の機能（センサ、電源など）を有する他のモジュールを搭載するためのベースを与えることができる。磁気ハードコネクタにはソフトレッグを取り付けることができ、ソフトレッグとハードモジュールとの間に作用する磁気吸引力により、組み立てられたシステムの構造的完全性が維持される。
【００２２】
複雑なロボット構造を有するモジュールの組立て・解体には磁気結合が用いられる。磁気結合を用いてソフト部品とハード部品を組み立て、歩行、調査、物体の操作および貨物の輸送を行うことができる再構成可能ロボットを構成することができる。プロセスは、（ｉ）ソフトリソグラフィによりソフトモジュールを製造し、例えば３Ｄプリンタを用いてハードモジュール（例えばフレームやアダプタ）を製造する工程と、（ｉｉ）ハード部品とソフト部品に磁気カプラを埋め込む工程と、（ｉｉｉ）装置を組み立てて再構成可能なロボットを成す工程とを含む。
【００２３】
（磁気結合またはアセンブリ）
一実施形態では、ソフト部品の可撓性モールドボディの入口付近にリング型マグネットが埋め込まれる。入口により、内部の膨張式チャンバが外部の圧縮ガス源に接続され、これによりモジュールが作動する。リング型マグネットがモジュール内に埋め込まれていることにより、一つのリング型マグネットの中空部が、内径と外径が同程度である別のリング型マグネット（別のモジュールのもの）の中空部に対して自己整合する。埋め込まれた磁石を用いて、ソフト部品が（同じく磁気結合材料を含む）ハード部品に磁気結合される。リング型磁石が可撓性軟質材料内にある場合、リング型磁石によりエラストマーの薄い壁が別のモジュールに対して力を加えられて変形し（別のモジュールに磁気的に結合している場合）、磁石の中空部の周りにその界面の位置で弾性封止部が形成される。例えば、反対極のリング型磁石が２つのソフトモジュールの入口の周りに配置される場合、２つの入口は一直線に並び、続いて２つのモジュールのチャンバが結合され、これにより２つの部品が連結して加圧されて作動する。軸方向に一直線に並んだリング型磁石を通る開口チャネルは、モジュールとこれらの流体部との間で流体（例えば空気）を輸送する連続的な流路を形成する。流体は化学物質の作動、サンプリングおよび運搬に用いることができる。別の実施形態では、ソフト部品とハード部品とが結合する。ハード部品は、単に物理的なコネクタとして機能してもよく、またはソフト部品を他の閉じたネットワークの流体に結合してもよい。ハード部品もチャネルを含む場合、ソフト部品とハード部品のチャネルは２つのソフト部品のチャネルと同じように結合してもよい。
【００２４】
図１は、リング型磁石（例えばＮｄＦｅＢ磁石）を用いた２つのソフトモジュール１１０，１１０’のモジュールアセンブリを示す。モジュール１１０，１１０’はそれぞれ、反対極が対向するように配置されたリング型磁石１２０，１２０’を含む。これらの磁石はソフトモジュール内に埋め込まれ、薄い弾性体層に覆われている。引力により２つのソフトモジュールは引き合い、上記弾性体材料に対して互いに押圧力が加わって気密封止部が形成される。リング型磁石の中空部が自己整合することにより、２つのモジュールの空気圧チャネル１３０，１３０’の間に連続する導管が形成される。差込図は２つのモジュールの界面部分の拡大断面図であり、磁極と空気圧チャネルの自己整合とを示す。
【００２５】
また、リング型磁石は、ソフトモジュールのモジュールアセンブリ内でハード部品と併せて用いることができる。この実施形態では、ハード部品もまたリング型磁石を有する。引力によりソフトモジュールとハードモジュールは引き合い、上記ソフトモジュールから弾性体材料にハードモジュールに対する押圧力が加わって気密封止部が形成される。リング型磁石の中空部の自己整合を用いて、ソフトモジュール内の空気圧チャネルとハードモジュール内の空気圧チャネルとの間に連続する導管が形成される。ハード部品のリング型磁石が弾性体に覆われる必要はない。なぜなら、弾性封止部を形成するためにはソフト部品の弾性体で充分だからである。図２Ｄと図２Ｅ（以下でさらに詳細に説明する）は、リング型磁石を用いたソフトモジュールとハードモジュールの例示的なモジュールアセンブリを示す。
【００２６】
図１Ｂは、ソフトモジュール１４０とハードモジュール１５０とを接続する磁石構成の変形例を示す。ハードモジュールはキャビティ１６０を有し、キャビティ１６０はソフトモジュールの端部を収容する大きさを有する。ソフトモジュール内に埋め込まれた鋼球１７０（または他の強磁性体材料）は、ハードモジュール内に配置された磁石アレイ１８０（または任意の形状）から引力を受けて引きつけられる。差込図は磁気界面の断面図であり、ハードモジュールのキャビティ内に収容されているソフトモジュールの封止部を示し、また、磁石と鋼球との間に作用する引力を示す。
【００２７】
幾つかの実施形態では、磁石は永久磁石である。ただし、好適な電気回路を設けることができるのであれば電磁石も可能である。幾つかの実施形態では、希土類永久磁石ＮｄＦｅＢが結合磁石として用いられる。なぜなら、当該磁石は、市販の永久磁石の中で単位質量当たりの磁力が最も大きいからである。ＮｄＦｅＢ磁石は組み立てたデバイスの質量を最小にしつつ接続強度を最大にする。電磁石についても、アセンブリの接続性を維持または変更するための電源と追加の回路を必要となるが、利用が可能である。安定な結合が必要であるが自己整合は必要でない場合、弱強磁性体材料（例えば鋼）を用いた他の形状を有する一対の永久磁石をモジュールの結合に用いることができる。さらに、複数の弱強磁体を空気圧ソフトモジュール内に埋め込むことにより、製造が単純になる。なぜなら、複数の磁石が小体積の弾性体内に閉じ込められると、磁石間に引力的または斥力的な正味の磁気相互作用が生じないからである。また、磁石を複数個有するモジュール内に生じる磁気相互作用により、ポリマーの硬化工程中に軟質材料内で強く相互作用するこれらの磁石を固定する上で特別な課題が生じる。
【００２８】
さらに、リング型磁石について説明するが、磁石は任意の形状を有してよい。前述の通り、リング型磁石は自己整合する。磁石は、相補的なモジュールを磁力で固定しかつ空気圧チャネルに一直線に並べる程度に、空気圧チャネルを包囲（または略包囲）できることが好ましい。この特性を利用して、ソフトロボット（例えばレッグ（脚）、グリッパおよびテンタクル）の空気圧作動用モジュール間で、充分に封止された連続的なチャネル網が誘導され、形成される。リング型磁石の自己整合により、モジュールの接続に必要となる精度が下がる。その結果、オペレータは、空気圧制御を用いて離れた位置から（すなわち遠隔操作で）ロボットまたはその部品を制御し、組み立てることができる。
【００２９】
（遠隔操作による解体）
幾つかの実施形態では、モジュールソフトロボットの遠隔操作による解体を行うために集積型空気圧トリガを用いることができる。この能力により、即時には予見できない要求に応じて組み立てたロボットや機械の機能を調整する上で、更なる柔軟性が遠隔操作装置に与えられる。
【００３０】
モジュールを解体するための磁気ハードコネクタ内には、空気圧作動型の「ブラダ（空気袋）」が組み込まれる。ブラダは２つの部品の間に挟持され、作動用に圧縮ガスを用いる。１つ以上の実施形態で、ハードモジュールは、ソフトモジュールの作動とは独立して膨張可能な可撓性ブラダを収容する。アセンブリでは、磁気吸引力によりソフトモジュールとハードモジュールが一体となり、両モジュールの弾性体材料を一体にして気密封止部を形成する。また、可撓性ブラダは、ハードモジュール内に空気圧チャネルを付与するように構成され、これにより２つのモジュールを空気圧で接続できるようにしてもよい。ハードモジュールの可撓性ブラダが膨張すると、可撓性ブラダはソフトモジュールを押圧してハードコンポーネントから引き離す。これにより、モジュールを一体に保持する磁力が弱まってモジュールが分離される。
【００３１】
図２Ａから図２Ｊに示すように、２つの部品の間に挟持された「ブラダ」が膨張し、これにより結合する磁石間の距離が増大し、モジュール間に作用する磁力が弱まる。空気圧で作動するブラダを磁気ハードコネクタ（単純には、膨張式コネクタと称される）に組み込むことにより、この構造が実現する。膨張式コネクタが完全に作動すると、磁石は分離し、各モジュールに作用する機械的な他の力（例えば重力、まさつ力）が、弱くなった磁気吸引力に打ち勝ち、２つの隣接装置が離間する。
【００３２】
図２Ａ、図２Ｂは、作動状態にない膨張式コネクタ２００の平面図と側面図を示す写真である。図２Ｃは、作動状態にない膨張式コネクタの概略断面図を示す。側方チャネル２２５と中央チャネル２３０を破線で示している。膨張式コネクタは、可撓性ブラダ２２０を保持する剛性の高いハウジング２１０を有する。可撓性ブラダは側方チャネル２２５を有し、側方チャネル２２５はハウジング内で入口を流れる圧縮ガスのガス源に接続可能である。ブラダ２２０は選択的に中央チャネル２３０を有し、中央チャネル２３０はハウジング２１０内で中央チャネル２１５と一直線に並ぶ。磁石２４０は、ソフトモジュールに接触可能な(近い)面に沿って中央チャネル２３０の周りに配置される。
【００３３】
図２Ｄは、埋め込み磁石２５５と入口２６０を有するソフトレッグ（ソフトモジュール）２５０で構成される、垂直方向に伸びたアセンブリの側面図を示す写真である。図２Ｅは図２Ｄの概略断面図である。磁石２３０，２４５の間に作用する強い磁気吸引力（図２Ｅに矢印で示す）により、ロボットアセンブリが一体となって保持されている。
【００３４】
ロボットを解体するために、可撓性ブラダが入口２７０を通じてチャネル２２５内へ膨張し、膨張式チャンバ２８０が形成され、ソフトモジュールの方へ向かって膨張する。図２Ｆは、弾性ブラダの空気圧作動による、ソフトレッグとコネクタとの間のギャップの増大を示す。図２Ｇは図２Ｆの概略断面図を示す。図２Ｈ、図２Ｉは、充分な作動状態にある膨張式コネクタの斜視図と側面図を示す。膨張式コネクタは、ソフトレッグを押しやってソフトレッグからの切断を断つ（図示せず）。図２Ｊは、充分な作動状態にある膨張式コネクタの概略断面図を示す。
【００３５】
逆のプロセスであるモジュールの解体は、遠隔操作装置により空気圧トリガを用いて行うことができる。空気圧アクチュエータと自己整合型磁気コネクタとの組み合わせを通じたロボットモジュール（または機械的モジュール）の遠隔操作による組立て・解体については、これまでのところ実証されていない。
【００３６】
電磁気学を用いた代替の機構により、磁力により一体に保持される２つのモジュールを分離することが可能である。この機構を用いた場合、アセンブリの接続性を維持し、または変更するために、追加のワイヤや回路、電源が必要となる。遠隔操作による可逆的な接続を行うために従来用いられた方法は、電力、または、センサやコントローラを有する最新式のシステムを利用するものであった。
【００３７】
（ソフトレッグ、グリッパ、テンタクルの設計と製造）
図８Ａから図８Ｃに示すように、ソフトモジュールの所定断面にＮｄＦｅＢのリング型磁石が挿入され、磁石はシリコーンエラストマーの薄膜（約０．７ｍｍ）により封止される。図８Ｃは、六本腕のソフトグリッパ８００を側方から見た概略断面図である。グリッパは、Ecoflex（エコフレックス）（登録商標）0030とＰＤＭＳの歪制限層からなる。すべての側方チャネル８１０は中央チャネル８３０を通じてグリッパの中央に接続され、中央チャネル８３０は上部で吸気口８２０につながっている。軸方向に磁化されたＮｄＦｅＢリング型磁石８４０は、グリッパの上部に埋め込まれている。中央チャネルは、埋め込まれたリング型磁石の中央を通過する。図８Ａは、Ｍ−Ｎ線の高さで上側から見たソフトグリッパの概略断面図である。図８Ｂは、Ｏ−Ｐ線の高さで下側から見たソフトグリッパの概略断面図である。
【００３８】
別の実施形態では、図８Ｄから図８Ｅに示すように、ソフトテンタクル８５５の拡がった底部内に４つの鋼球８５０が埋め込まれる。鋼を用いることにより、小さい制限領域に磁化可能材料を埋めこむプロセスが単純になると共に、テンタクルとアダプタとの間に作用する磁気吸引力が弱いことにより、解体中のソフトモジュールへの損傷（例えば裂け）発生が防止される。テンタクルには、中央から等距離を隔てて９０度間隔で設けられた４つの側方チャネルが設けられる。４つの側方チャネルを組み込むことにより、テンタクル内に挿入され（あるいは結合される）追加の部品を操作する上での柔軟性を得ることができる。
【００３９】
ソフトモジュール内には他の機能部が含められてもよい。例えば、ソフトテンタクルの中央チャネルの先端８６０に小型のビデオカメラが搭載されてもよく、結合したカメラ−ソフトテンタクルを可撓性光学センサとして用いてもよい。変形例として、ソフトテンタクルを転用してソフトグリッパとの結合に用いてもよい。これは、ソフトテンタクルの頂部にＮｄＦｅＢリング型磁石８７０を埋め込むと共にリング型磁石の中空部とテンタクルの中央チャネルに可撓性チューブを挿入することにより行う（図８Ｄ、図８Ｆ）。
【００４０】
弾性ポリマーまたは可撓性ポリマーを用いて、作動可能なソフトモジュールが準備される。エラストマーの例として、シリコーンエラストマーが挙げられる。伸縮性層に用いるシリコーンエラストマーの例として、Ecoflex（登録商標）0030、Ecoflex（登録商標）0050、Elastosil（登録商標）M4601、Dragon Skin（登録商標）30が挙げられる。歪制限（より剛性の高い）層に用いるシリコーンエラストマーの例として、T PDMS Sylgard（登録商標）184とElastosil（登録商標）M4601の紙コンポジットが挙げられる。ソフトレッグ（各レッグの重さは６．５ｇ）の作動を重い荷重（各レッグの重さの９倍より大きい）の下で可能にするために、ソフトモジュール用の伸縮性層は比較的ヤング率の高いエラストマーで作成されることが好ましい。Ecoflex 0050（７０％）とDragon Skin 30（３０％）のブレンドから作成されるシリコーンゴムにより、ソフトレッグはすべての部品の総重量から加わる圧縮力に耐える剛性と、空気圧作動のための弾性の両方を得る。ソフトグリッパの場合、伸縮性層としての機能を持たせるために、よりヤング率の低いエラストマー(Ecoflex 0030)を用いることができる。伸縮性層を硬化させた後、磁石埋め込み型エラストマーがポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）(Dow Corning社 Sylgard（登録商標）184)で作成された歪制限シートに対して封止される。自重でテンタクルがつぶれないようにするために、また、グリッパの操作中に物体を拾い上げるのに必要な可撓性と持ち上げ力を提供するために例えばEcoflex 0050(40%)とDragon Skin 30(60%)のより硬質なブレンドを用いてソフトテンタクルを製造してもよい。こうしたソフトロボットアクチュエータの詳細については、実施例と、参照により本明細書に組み込まれるＰＣＴ出願(US11/61720)で説明されている。
【００４１】
（ソフト−ソフトアセンブリ）
一実施形態では、２つのソフトモジュールからなる組立式ソフト機械の作動が達成される。図３Ａに示すように、２つのリング型磁石埋め込み型ソフトレッグが接続され、ポリ（エチレン）チューブが吸気口として複数のソフトレッグのうちの１つに挿入される。
ソフトレッグの内部の空気圧チャネルを空気で加圧することにより、垂直方向または水平方向に伸びたアセンブリ全体が膨張しまたは屈曲する（図３Ｂから図３Ｄを参照）。この結果は、埋め込まれたＮｄＦｅＢ磁石により、２つのソフトレッグが安定的に接続される（約３Ｎの引張力）と共に、リングの中空部にある開放網が自己整合し、アセンブリの空気圧作動を支持する充分に封止された連続的なチャネルが形成されることを示す。
【００４２】
また、複雑な三次元空気圧網を有するソフトモジュールの組み立てと作動が達成される。複雑な三次元空気圧チャネルを内部に有するソフトロボットを試作する際の磁気コネクタの利用について説明するために、モジュールアセンブリを作動させ、磁石を用いてソフトテンタクルとソフトグリッパとを接続する（図３Ｅ）。テンタクルの中央チャネルを通じた空気圧作動により、テンタクル−グリッパが垂直方向に延びて球（重量９．５ｇ）を拾い上げ、それを空気中で保持することができる（図３Ｆから図３Ｈ）。ソフトテンタクルに設けられた４つの側方チャネルの作動機構により、三次元空間で物体を操作する上でソフトグリッパの追加の自由度が得られる（以下を参照）。ソフトテンタクル−グリッパの成形を一工程で行うことは、内側に設けられた空気圧網の複雑な構造に起因して困難であろう。
【００４３】
（ハードマニホールド、磁気コネクタおよび磁気コンテナの設計と製造）
１つ以上の実施形態で、磁気ハードコネクタは主骨格内に固定される。この骨格は、複数の磁気ハードコネクタを固定でき、各コネクタは例えばソフトモジュールと一緒に組立てられる。このようにして、複数のソフト部品を有するハード−ソフトハイブリッドロボットを得ることができる。個々の磁気ハードコネクタ（および関連するソフトモジュール）は、同時に、または統合した形で(integrated)作動できる。１つ以上の実施形態で、主骨格は、複数の磁気ハードコネクタを互いに固定的に保持される。
【００４４】
六角形ハードフレーム９００（図９Ａ）は、モジュールロボットの主骨格および中央のボディとして製造される。このフレームは、６つの側方ソケット９１０（図９Ｂ）と１つの中空部９２０を有する。これらのキャビティは、適合する形状と寸法を有する７つの磁気ハードコネクタ（１つは中空部用、残りの６つは側方ソケット用）が隙間なく機械的に嵌まるように構成されている（図９Ａから図９Ｃ）。四本脚のウォーカーを組み立てるために、磁石埋め込み型コネクタを各面に有する四角形フレームを用いることができる。六角形のマニホールドの上に追加的に搭載される２つの側方磁気コネクタにより、他の機能（例えば保存）のための種々のモジュール（例えばコンテナ）を導入できる。
【００４５】
ハードモジュールを磁石埋め込み型ソフトアクチュエータに接続するために、ＮｄＦｅＢ磁石９３０がハードアダプタ９４０内に挿入される。モジュールは、ソフトレッグと結合するための側方ハード磁気コネクタと、ソフトテンタクルを固定するための中央ハード磁気コネクタと、貨物の保存と輸送のためのハードコンテナとを有する。側方磁気コネクタは、埋め込まれたリング型磁石の中空部の位置に設けられた開口チャネル９５０を有する（図９Ｄから図９Ｆ）。開口チャネル９５０は、ソフトアクチュエータの空気圧作動用の吸気口として機能する。側方磁気コネクタが組み込まれた六角形のハードフレーム９００について説明する。ソフトテンタクル用の中央磁気コネクタ９６０は、テンタクル内に埋め込まれた鋼球を引き付けると共にテンタクルを適切な位置に保持するために、径方向に並べられた複数のＮｄＦｅＢ球磁石９７０をポケット９７５内に収容する（図９Ｇから図９Ｉ）。複数脚ロボットを用いてセンチメートルサイズの物体の輸送を容易にするために、側方コネクタに対して着脱可能な磁気界面９８５を有する保存用ハードコンテナ９８０が製造される（図９Ｊから図９Ｌ）。手動で組み立てたハードボディであって、六角形フレーム９００と、６つの側方アダプタ９４０と、中央アダプタ９６０と、２つのコンテナ９８０とを有するものが図９Ｍから図９Ｏに示されている。
【００４６】
ハード部品とソフト部品から組み立てられた幾つかの例示的なシステムには以下のような利点がある。
（ｉ）ソフトレッグと、磁気コネクタを有するハードフレームとを用いて組み立てた複数脚ロボットは、固く滑りにくい表面の上を歩くことができる。ソフトレッグは、修理のために置き換えることができ、あるいは、大きさ、材料または形状の異なるレッグと交換できる。
（ｉｉ）機能が異なる一連のソフトテンタクルを用いて四本脚ウォーカーを改変することにより、ロボットは光学的監視を行うことができ、あるいは、ソフトグリッパモジュールと組み合わせた場合にはセンチメートルオーダの物体を操作できる。
（ｉｉｉ）統合された空気圧バブルを用いて２つのモジュールの取り外しを遠隔操作で開始することにより、遠隔操作による、再構成およびロボットへの貨物の積み降ろしが可能となる。
【００４７】
２つの理由のために、四本脚ソフトウォーカーの中央ボディに硬質材料が利用される。第１の理由を説明する。ウェッジ形状のアダプタを有する剛性の高いマニホールドは、一定の傾斜角でソフトアクチュエータ（例えばレッグ）に結合することがわかっている。従って、ソフト−ハードウォーカーのハードボディの剛性が高ければ、ソフトレッグと移動する地面との間で最小の接触角が維持され、（充分に軟らかいソフトウォーカーの場合は、その中央ボディの曲率を維持するために必要となる）連続的な空気圧作動を行わずに済む。第２の理由を説明する。剛性の高いマニホールドの中央を中空にすることができ、空洞によりロボットの重さが低下し、他のモジュール（例えばセンサ、電源、テンタクルおよびグリッパ）を搭載するための追加の空間が得られる。
【００４８】
ソフト−ハードロボットのボディ全体は一体物として製造される。変形例として、ハードボディは、機械的コネクタまたは磁気コネクタを用いて個々の部品から手動で組み立てられる。ハードボディの試作品を製造する変形例を採用することにより、種々の構造の試験を迅速に行うことができると共に、損傷した部品を新規パーツに迅速に取り替えることができる。さらに、特定のタスクにつき必要の無い部品は、取り外してロボットの重量を減らすことができる。
【００４９】
（ソフト−ハードアセンブリ）
磁気コネクタを用いて、（もっぱらソフトモジュールから組み立てられるロボットに加えて）六角形ハードフレームと磁気ハードコネクタとソフトレッグとで構成されるソフト−ハードハイブリッドロボットが構築される。６つの磁気ハードコネクタは、六角形フレームのソケット内へ機械的に嵌め込まれる。次に、ソフトレッグが磁気ハードコネクタに手動で取り付けられ、ソフトモジュールとハードモジュールとの間に作用する磁気吸引力を利用してアセンブリの構造的完全性が維持される。
【００５０】
磁気接続の可逆性により、ロボットを迅速に再構成することが可能となる。これにより、オペレータは六角形フレームの周囲に設けられるソフトレッグの数（図４Ａ、図４Ｂ）と配置（図４Ｃ、図４Ｄ）を変更し、異なる大きさ（図４Ｅ）、材料（図４Ｆ）、形状（図４Ｇ）のレッグを交換、結合し、または損傷したレッグを迅速に置き換えることができる。シリコーン−紙複合材で作成され、または種々のトレッドパッド（例えばスパイク）を有するように改変されたレッグのすべてが移動能力を有することが実証されている。
【００５１】
磁気接続の安定性によりソフト−ハード四本脚の移動が実現する。コンピュータ制御した圧縮空気源を用いて、ソフト−ハードハイブリッド四本脚、すなわち４つのソフトレッグとハードボディ（テザー（ロープ）を除いて重さ６３ｇ）を動作させた。レッグを順番に空気圧で作動させる（各レッグのサイクルごとに約５０ｋＰａから約７０ｋＰａで４００ｍｓの間）ことにより、ロボットは平坦であって固く滑りにくい表面の上を約１７ｍ／ｈの速さで０．３ｍ歩行した。組み立てたロボットの歩行能力により、磁気接続の安定性により移動に関連する構造的要求がサポートされることが示された。
【００５２】
（モジュールアセンブリを用いて構成された多機能ロボット）
モジュールアセンブリの１つの大きな利点は、追加のモジュールを組み込み、統合して、ロボットに新しい能力を付与できることである。例えば、光学センサと歩行用のソフトレッグとで構成されるソフト−ハードモジュールロボットは、遠隔操作装置に周囲環境の視覚的なフィードバックを与えることができる。この情報により、コントローラはロボットが障害物を避けるように案内でき、環境をすぐに監視できる。
【００５３】
例えば上記ロボットのような移動式の四本脚探査装置（サーベイヤー）を組み立てるため、ソフトテンタクルの頂部に小さいビデオカメラを挿入し、この可撓性光学センサのベースを、ソフト−ハード四本脚のハードボディに磁気接続部を用いて固定した（図５Ａ）。ソフトテンタクルは４つの側方チャネルを有し、挿入されたビデオカメラを広い角度範囲にわたって配置するために、それぞれ独立して作動させ（図５Ｂから図５Ｅ）またはそのうち２つを同時に作動させる（図５Ｆ）ことができる。
【００５４】
コンピュータ制御された空気圧作動の下、組み立てられた探査装置を目標位置（Styrofoam（登録商標）カップ）へ向かって移動させた。次に、ソフトテンタクルの側方チャネルの空気圧作動を手動で制御し、ビデオカメラを傾斜した角度に配置し、ビデオカメラはコンテナの表面のウインドウを通じてカップ内側の隠しメッセージ「ＧＭＷ Ｇｐ」を撮影した（図５Ｈから図５Ｊ）。
【００５５】
（ロボットと機械の遠隔操作による改変）
手動で再構成可能なロボットは、組み立てられたモジュールの接続性と機能により予め定められたタスクを実行するように制限される。遠隔操作によるロボットの改変により、オペレータは状況に応じてロボットの機能を調節する。
【００５６】
六本脚(hexapedal)のソフト−ハードウォーカーロボットの構造は、遠隔操作で変更される。例えば、ロボットは、まずハードボディと６本のソフトレッグとから手動で組み立てられる。ハードボディは、六角形フレームと、４つの磁気ハードコネクタと、２つの膨張式コネクタとで構成される。この６つのコネクタは、六角形フレームのソケットに機械的に連結される。６本脚のうち２本は、膨張式コネクタ「ブラダ」に接続され、ブラダは空気圧で独立して作動する。４つのハードコネクタと２つの膨張式コネクタの中央チャネルは、磁気界面を介して接続されたソフトレッグの空気圧作動用吸気口として機能する。
【００５７】
上記六本脚のソフトーハードロボットは、圧縮空気源に接続される。膨張式コネクタに接続されるソフトレッグは、各アダプタの中央チャネルを介して空気圧で作動する（図６Ａ、図６Ｂ）。全六本脚を同時に作動させることにより、六本脚ロボットは、平坦で固く滑りにくい表面上で歩行する。圧縮空気で加圧されると、膨張したブラダにより脚とコネクタとの間の距離が増加し、ソフトレッグの重さにより生じるトルクが磁石埋め込み型モジュール間で弱くなった吸引力を上回る（図６Ｃ、図６Ｄ）。空気圧により開始するソフトレッグの解体により、オペレータとロボットのモジュールとが物理的に接触することなく六本脚ロボットは四本脚ウォーカーに変形する（図６Ｅ）。
【００５８】
（貨物を積み込み、輸送し、降ろすために用いられる六本脚のソフト−ハードロボット）
空気圧アクチュエータと磁気コネクタとを遠隔操作で組立て・解体するために結合できることを実証するために、ソフト−ハード四本脚に２つのハードコンテナを設け、これらのコンテナを磁気界面結合により２つの膨張式コネクタに接続した（図７Ａ）。このロボットは、磁石埋め込み型ソフトグリッパを搬送する左側コンテナと、グリッパの重さのバランスをとる２つの球を保持する右側コンテナとを有する。リング型磁石が頂部に設けられた改変ソフトテンタクルと、中央チャネルを通るポリ（エチレン）チューブとを、物体の操作のためにロボットの中央に配置した。
【００５９】
ソフト−ハードロボットは、コンピュータ制御の空気圧作動により、ターゲット（緑の球）に向かって歩くようになっている（図７Ｂ）。空気を用いてソフトテンタクルの側方チャネルを膨張させる（図７Ｃの差込図）ことにより、ソフトテンタクルはソフトグリッパを搬送するコンテナの方へ屈曲した。屈曲したテンタクルの頂部でグリッパとリング型磁石との間に作用する磁気吸引力により、テンタクルとグリッパは近距離で共に押圧され、ソフトテンタクルの中央に位置する開放空気圧チャネルはソフトグリッパと自己整合した。
【００６０】
遠隔操作により組み立てられるソフトテンタクル−グリッパの、センチメートルオーダの大きさを有する物体を操作する際の機能を試験するために、テンタクルを用いてグリッパをターゲットの上方に配置し（図７Ｄ）、グリッパを作動させて球を拾い上げ（図７Ｅ）、空気圧制御を用いてテンタクルと一緒にグリッパを再配置し（図７Ｆ）、物体を離して空のコンテナ内に入れた（図７Ｇ）。ソフトレッグの空気圧作動を再開することにより、ソフト−ハードウォーカーは貨物を別の位置へ移動させることが可能となった。
【００６１】
磁気結合したコンテナは、一体化されたエラストマーのブラダを膨張させることにより四本脚ロボットから分離される。磁気界面からコンテナの解体を開始し、ロボットは貨物の運搬を完了する（図７Ｈから図７Ｊ）。
【００６２】
（磁気コネクタの強度の定量化）
磁気接続部の引張強度を定量化するために、張力試験装置Instron（登録商標）モデル5566を用いて、組み立てたソフトモジュールの引張力測定を行った。２つのソフトレッグ（それぞれ重さ６．６ｇ）の解体には、垂直方向とアセンブリの中央長手軸に沿って約３．０Ｎの張力が必要であった（図１０）。このとき、２つのソフトレッグは、２つの同じＮｄＦｅＢリング型磁石（内径×外径×厚さ：１／８”×３／８”×１／１６”）により、６．７Ｎの引張強度で界面を一体に保持した。引張力が減少した（５５％）のは、２つの磁石が空間的に分離されている（封止膜の厚さ約１．５ｍｍから約２ｍｍも併せて）結果だと考えられる。リング型磁石の寸法とこれを埋め込んだ材料の弾性率は変化し、これらの磁石間に作用する磁気吸引力は磁化軸（ｚ方向）に対して平行な（引張）または垂直な（せん断）方向の変位に応じて決定される。２つのハードモジュール間での磁気接続により支持される引張荷重（図１２Ａの差込図のhM_hLとhM_hMのグラフ）は、分離が大きくなると急速に低下した（図１２Ａ）。これとは対称的に、ソフト−ハード接続しているソフトアクチュエータの内側で磁石を封止するために必要な膜（厚さ０．６ｍｍから１．０ｍｍ）により、この接続に関わる２つの磁石が直接に接触しないことが保証され、これにより２つの磁石間で最初の分離が増加する。その結果、ソフト−ハード接続(hM_sL，sM_hM)で磁気吸引力により支持される最大引張荷重は、同様の距離の空隙（膜により画定される０．６ｍｍ−１．０ｍｍ）で分離したハード−ハード接続と同様であり、ハードモジュール内に埋め込まれた２つの磁石が直接に接触する（０ｍｍ）の場合と比較して６０％低い（図１２Ａ）。また、ソフト−ハード接続における引張荷重対変位のグラフ（図１２Ａ）は、対応するハード−ハード接続のグラフとは異なる形状を有する。ソフト−ハード接続では、当初、変位の増加に併せて力が徐々に増加した。この理由は、張力により、２つのモジュールが接触した状態でソフトアクチュエータが引き延ばされたからである。印加された負荷が、２つのモジュールを一体に保持する引力を上回ったとき、接続は断たれ、ソフトモジュールは跳ね返されて元の長さに戻る。磁石間のギャップが急激に増加することにより、ハードモジュールの変位に逆らう磁力が急激に低下した。
【００６３】
引張荷重に加えてせん断荷重についても測定を行った。引張強度の測定と同様に、せん断荷重に対する抵抗は、２つのハードモジュール間の分離（空隙）の距離が増加すると共に急速に減少した（図１２Ｂ）。しかし、０．６ｍｍ（または１．０ｍｍ）の空隙で、ハードモジュール内に埋め込まれた磁石は、空気の代わりにシリコーン膜（ソフト−ハード接続における同じ厚さ、０．６ｍｍから１．０ｍｍ）で分離した同じ磁石対と比べてせん断に対する抵抗が５０％から６０％低かった（図１２Ｂ）。ソフト−ハード接続のせん断に対する抵抗が大きいのは、ハードモジュール内に埋め込まれた磁石とソフトアクチュエータとの間の摩擦のためだと考えられる。
【００６４】
（磁気接続による、ソフト−ハードアセンブリ内に埋め込まれた電子機器の駆動電流の導電補助）
磁気接続部の結合は空気圧作動による補助に限定されない。例えば、２つのモジュールの界面での物理的接触をモジュール間の導通に利用できる。磁気界面が小さい電子機器を駆動するためにモジュール間を導通させることができるか否かを試験する目的で、種々の磁石埋め込み型ソフトレッグの先端に発光ダイオード（ＬＥＤ）を挿入し、バッテリ電源を含むモジュールに接続した。図１１Ａは、リチウムイオンバッテリを含むソフトモジュールの写真と概略断面図を示す。図１１Ｂは、ＬＥＤを含むソフトモジュール（ソフトレッグ）の写真と概略断面図を示す。ソフトレッグ内に埋め込まれたＬＥＤは、ソフトレッグの面上のアルミ箔片が、隣接装置内に収容されてバッテリ電源（４．５Ｖ）に接続された金属片に互いに接触したときに点灯した（図１１Ｃ、図１１Ｄ）。
【００６５】
歪制限層内にＡｌ箔が存在することにより、ソフトレッグの空気圧作動が遅れる。ソフトモジュールの作動時に金属箔の妨害を最小化するため、歪制限層内に埋め込まれた金属箔の一部を液体金属であるガリウム・インジウム共晶混合物（ＥＧａｉｎ）に置き換えた。金属箔の代わりにＥＧａｉｎを用いることにより、ソフトレッグの作動に必要な圧力が低下し、作動が繰り返し行われる中で歪制限層内の金属箔が裂けて電気回路が破壊される可能性が低下する。
【００６６】
変形例として、ソフト−ハードウォーカー用のフレームが、ハードボディとソフトレッグとを導通させるように構成されてもよい。四本脚ロボットが歩行するとき、パワーＬＥＤに対する電流の供給について安定を保つことができる。
【００６７】
同一または異なる材料で作成された部品と、一体物として製造するのが難しい複雑な三次元空気圧チャネル網が内部に設けられた部品とを有する空気圧作動型ソフトロボットを組み立てるために磁気コネクタを利用する例について説明する。磁気コネクタにより、修理、新規構造の試験、および新規タスクの実行のためにソフト−ハードハイブリッドロボットを迅速かつ可逆的に再構成することが可能となる。さらに、空気圧アクチュエータと自己整合型磁気コネクタとを結合することにより、要求に応じて遠隔操作装置を用いたロボットの組立て・解体が可能となる。空気圧アクチュエータと磁気コネクタとを用いてロボットを遠隔操作により改変できるので、ソフト−ハードロボットの構造、制御および動作が向上する。
【００６８】
以下の実施例を参照しつつ本発明を説明する。実施例は単に例示的な目的で記載しているにすぎず、本発明を限定することを意図しているのではない。
【００６９】
（実施例１：リング型磁石と一緒に埋め込まれたソフトレッグの製造）
伸縮性層と歪制限層とでソフトレッグアクチュエータを構成した。ソフトレッグの伸縮性層の製造に用いた型（パーツＡ、パーツＢ、パーツＣ、パーツＤ）を図１３Ａに示す。エラストマーの例として、シリコーンエラストマーが挙げられる。伸縮性層に用いるシリコーンエラストマーの例として、Ecoflex（登録商標）0030、Ecoflex（登録商標）0050、Elastosil（エラストジル）（登録商標）M4601、Dragon Skin（ドラゴンスキン）（登録商標）30が挙げられる。歪制限（より剛性の高い）層に用いるシリコーンエラストマーの例として、T PDMS Sylgard（シルガード）（登録商標）184とElastosil（登録商標）M4601の紙コンポジットが挙げられる。図１３Ｂに示すようにパーツＡとパーツＢを組み立てた。２１ゲージの針が内側に配置されたポリエチレンチューブ（寸法：外径１．２２ｍｍ×内径０．７６ｍｍ）をパーツＢの中央に設けられた穴に挿入した（図１３Ｃ）。チューブを吸気口として用い、レッグ部品内のチャネルの内部網を、外部に設けられた空気圧作動用の圧縮空気源に接続した。次に、組み立てた型を液状プレポリマーで充填し（図１３Ｄ）、アセンブリ全体で５分間脱気し、残留気泡を除去した。次に、上側モールドのパーツＣを追加し（図１３Ｅ）、液状プレポリマーの余剰分をカミソリ刃で除去した。これに並行して、パーツＤを別の液状プレポリマー（Dragon Skin（登録商標）30）で充填し、カミソリ刃でプレポリマーの余剰分を除去し、型の中央に設けられた穴にポリエチレンチューブ（内側に針が設けられた）を挿入した（図１３Ｆ）。組み立てた型（パーツＡ、パーツＢ、パーツＣ）内に充填された液状プレポリマーを６５℃で４０分間熱硬化させ、パーツＤ内に充填された液状プレポリマーを６５℃で１０〜１５分間熱硬化させた。熱硬化が完了すると、エラストマーを室温まで冷却した。次に、パーツＢを、内部のチューブ、針と一緒に取り出し、好適な大きさのＮｄＦｅＢリング型磁石を凹部に挿入した。リング型磁石を囲う伸縮性層の表面を追加の液状プレポリマー(Dragon Skin（登録商標）30)でコーティングし、既に硬化させてパーツＤの上に固定したエラストマーの薄い層（約０．６〜１．０ｍｍ）をその上に配置して磁石を封止した（図１３Ｇから図１３Ｉ）。室温に４時間置いた後、熱硬化プロセスを完了した。型から伸縮性層を取り出し、はさみ（またはカミソリの刃）で切り取ってポリマーの余剰分を除去した（図１３Ｊ）。以下の手順に基づき、ＰＤＭＳを用いてソフトレッグの歪制限層を製造した。溶剤と、ＰＤＭＳの液状プレポリマーの硬化剤とを混合し（１０：１ｗ／ｗ）、減圧下で２０分から３０分間脱気して気泡を除去し、ガラス容器内へキャストして約１ｍｍから約２ｍｍの厚さを得た。６５℃で４０分から６０分間熱硬化させた後、ＰＤＭＳでコーティングされたガラス容器をオーブンから取り出して室温に至るまで冷却した。
【００７０】
ＰＤＭＳの液状プレポリマーからなる薄膜を接着剤として塗布し、歪制限層に対して伸縮性層のチャネル網を封止した。まずアセンブリを室温で２〜４時間硬化させ、次に６５℃で１時間熱硬化させ、熱硬化プロセスを加速させた。変形例として、接着剤を室温で２４時間硬化させる単一の工程を実施してもよい。熱硬化が完了し、ソフトレッグの周りにあるＰＤＭＳ薄膜の余剰分をカミソリの刃で除去した。
【００７１】
（実施例２：リング型磁石を有するスパイク状レッグを準備する手段）
Ecoflex（登録商標）0050とDragon Skin（登録商標）30の混合物（７：３（ｗ／ｗ）の混合比）を用いて、ソフトレッグの製造についての実施例１と同じ手順でスパイク状レッグの伸縮性層を準備した。Objet社の３Ｄプリンタを用いて、スパイクを有する歪制限層を製造した。スパイクは、硬度と剛性が高いプラスチックで作成し、可撓性ゴムの薄い層の上に直接に印刷し、規則的に設けられた穴のアレイに組み込んだ。歪制限層のゴム状底部をＰＤＭＳの液状プレポリマーでコーティングし、室温で一晩（１２時間以上）硬化させた。前述の接着方法と同じ方法でレッグの伸縮性層をＰＤＭＳに対して封止した。
【００７２】
（実施例３：ＬＥＤと一緒に埋め込まれる導電性レッグの製造）
磁石埋め込み型ソフトレッグの先端にＬＥＤを挿入し、磁石埋め込み型ソフトマニホールド内にバッテリ電源を入れ、隣接する２つのモジュール間を導通させ、ＬＥＤを駆動するための充分な接触を磁気界面が与えるか否かを試験した。次に、アルミ箔片を用いて、ソフトマニホールドの中央に位置するバッテリ電源を磁気界面の周縁部に接続した（図１１Ａ）。図１１Ａは、ソフトエラストマー(Ecoflex（登録商標）0030)から作成されたマニホールドを示す。マニホールドの中央に直流電源（３つのＬｉバッテリ）を配置し、これをアルミ（Ａｌ）箔片と一緒にマニホールドの周縁部に接続した。差込図は、ＡＢ線に沿ったマニホールドの概略断面図を示す。同様に、アクチュエータの歪制限層内で封止されたアルミ箔片を用いて、ソフトレッグ内に入れられたＬＥＤを磁気界面に接続した（図１１Ｂ）。図１１Ｂは、ＬＥＤと一緒に埋め込まれた導電性ソフトレッグの上面図と下面図を示す。差込図はレッグの長手方向の概略断面図を示す。ソフトレッグ内に埋め込まれたＬＥＤは、中央マニホールドに正しい向きで物理的に接触したときに点灯する。３つの導電性ソフトレッグを中央マニホールドに接触させると、埋め込まれたＬＥＤが点灯した（図１１Ｃ）。さらに、中央のマニホールドを通じて、複数のソフトレッグのうちの２つを空気圧で作動させた。埋め込まれたＬＥＤは、この作動の間に連続的に点灯した（図１１Ｄ）。この結果は、磁気結合したソフトアクチュエータが動作中である場合、磁気界面での電気的接触は、導通する程度に充分に安定するということを示す。
【００７３】
（実施例４：磁石埋め込み型ソフトテンタクルの製造）
この実施例で用いるソフトテンタクルは、１つの中央チャネルと４つの独立した側方チャネルとを有する。４つの側方チャネルは互いに平行に設けられ、中央チャネルから等距離を隔てて設けられている。
【００７４】
液状プレポリマーEcoflex（登録商標）0050とDragon Skin（登録商標）30を４：６（ｗ／ｗ）の混合比で混合し（総量６０ｇ）、減圧下で３分間混合物を脱気し、気泡を除去した。「底部型」アセンブリ（パーツＡ×１、パーツＢ×１、パーツＣ×４）を液状プレポリマー（高粘度）で充填し、２分間脱気し、脱気工程を１回以上繰り返して残留する気泡を除去した。図１４Ｂに示すように、追加の型（パーツＤ×４、パーツＥ×１、パーツＦ×２）（図１４Ａ）を底部アセンブリ内に挿入した。次に、組み立てた型を９０°傾けて、液状プレポリマーの余剰分で素早く充填し、アセンブリ内でパーツＤ全体を覆った（図１４Ｃ）。パーツＢの四方から針を挿入し、パーツＡ、パーツＢ、パーツＣおよびパーツＤ上でスルーホールを並べ、側方チャネル用の吸気口を形成するために用いた。右下の差込図は型の拡大図を示す。右上の差込図は、図を明瞭にするために取り外されたパーツＢがない状態でアセンブリを示しており、パーツＡ、パーツＣ、パーツＤと針の１つとの、成形のための整合を示す。アセンブリを１分間脱気し、追加の液状プレポリマーで再充填した。脱気工程と再充填工程を１回以上繰り返した後、組み立てた型をパーツＦ（既に同じ液状プレポリマーで充填されている）と結合させ、素早くアセンブリ全体を傾けて元の垂直位置に戻した。パーツＧとパーツＨを挿入し、型のアセンブリを完成させた（図１４Ｄ）。パーツＧとパーツＨを順に追加し、アセンブリを完成させた。右下の差込図と右上の差込図は、それぞれパーツＧとパーツＨの拡大図を示す。まず、プレポリマーで充填したアセンブリを室温で１時間硬化させ、追加の液状プレポリマーを周期的に再充填して、型の個々のパーツ間のギャップから漏れた分を補った。６５℃で４０分から６０分間硬化させた後、型を解体した。次に実施する工程のために、中央チャネル内にパーツＥを保持した。
【００７５】
テンタクルの空の側方チャネル内にパーツＩ（×４）を挿入した（図１５Ａ）。各パーツＩの一端にはスルーホールが設けられており、各スルーホールを側方チャネルの吸気口と一直線に並べた。アライメントの後、テンタクルの底部を液状プレポリマーDragon Skin（登録商標）30で充填し、その直後、所定の凹部に４つのリング型磁石（寸法：外形１／４”×内径１／８”×厚さ０．１”）を配置した（図１５Ｂ）。プレポリマーが液状のままで各リング型磁石の中空部に針を挿入し、中央チャネルの壁を突き刺すことのないように慎重に、パーツＩのスルーホール内に針の先端を指した（図１５Ｃ)。次に、アセンブリを室温で４時間硬化させ、パーツＩと針をアセンブリから取り外した。
【００７６】
可撓性光学センサ．
リング型磁石の底部をエラストマーで封止した後、テンタクルの先端の下方０．５〜１．０ｃｍの位置でプラスチック製ケーブルタイを締め、側方チャネルの一部を一時的に締め付けた。次に、側方チャネルの上側開口部を液状プレポリマーDragon Skin（登録商標）30で充填した。図１５Ｄは、可撓性光学センサ用途のテンタクルを示す拡大平面図である。下側の差込図は、液状プレポリマーで充填された際の、締め付けられた側方チャネルの上側開口部を示す。６５℃で３０分から４５分間硬化させた後、ハサミを用いてケーブルタイを取り外した。中央チャネルの位置にあるパーツＥを小型のカラーＣＭＯＳビデオカメラ(Superciruits社製)に置き換え、可撓性光学センサの製造を完了した。図１５Ｅは、磁石埋め込み型ソフトグリッパと磁気結合することを意図したテンタクルの上部に挿入されたＮｄＦｅＢリング型磁石を示す。差込図は、ＮｄＦｅＢリング型磁石と一緒に埋め込まれたテンタクルの拡大平面図を示す。
【００７７】
テンタクル−グリッパ．
エラストマーを用いてソフトテンタクルの底部でリング型磁石を封止した後、テンタクルの先端から約０．５ｃｍから約１．０ｃｍ下方の位置までパーツＥを下降させた。次に、テンタクルをプラスチック製ケーブルタイで締め付けることにより、中央部と側方チャネルの両方の上部を締め付け、液状プレポリマーDragon Skin（登録商標）30で上側開口部を充填した。次に、テンタクルの頂点に、寸法が外径１／８”×内径３／８”×厚さ０．０６”のリング型磁石を配置し（図９ｅ）、続いて追加の液状プレポリマーDragon Skin（登録商標）30で封止した。次に、６５℃で３０分から４５分間硬化させ、リング型磁石と各チャネルの上側開口部を封止した。硬化を完了させた後、プラスチック製ケーブルタイを取り外し、長い針（外径０．９０ｍｍ）を用いて中央チャネルに上側から穴を空けた（側方チャネルを刺さないように慎重に）。挿入した針を一時的なテンプレートとして用い、中央チャネルへのポリエチレンチューブ（内径１．１４ｍｍ、外径１．５７ｍｍ、長さ１５ｍｍ）の挿入を誘導した。ポリエチレンチューブの長さ全体を挿入し、その一端を上側に埋め込んだ後、針を取り外し、ソフトグリッパとの磁気結合用のテンタクルの製造を完了した。
【００７８】
テンタクルと、磁気結合したテンタクル−グリッパの両方の概略断面図を、図１６、図１７にそれぞれ示している。図１６（ａ）は、可撓性光学センサとしての利用が提案されるソフトテンタクルの概略長手断面図を示す。図１６（ｂ）は、ソフトグリッパと磁気結合することを意図したソフトテンタクルの概略長手断面図を示す。各テンタクルは、４つの側方チャネルと１つの中央チャネルを有する型で設計した。全チャネルは、互いに平行であって長さはテンタクルの長手軸に及ぶように設計した。図１６（ａ）と図１６（ｂ）との間の差込図は、テンタクルをその中央軸に垂直な方向で切った概略断面図である。上側の差込図と中央の差込図は、テンタクルを上側から見た概略図である。図１６（ｂ）に示すように、テンタクルの上部に埋め込まれた磁石を、磁石埋め込み型アクチュエータ（例えばソフトグリッパ）と磁気結合させるために用いた。下側の差込図に示すように、両テンタクルは同じ構造を共有するものである。テンタクルの底部に４つのＮｄＦｅＢリング型磁石を埋め込んだ。側方チャネルに設けられた吸気口の開口部に対して各リング型磁石の中央部が一直線に位置するようにした。図１６（ｃ）は、中央チャネル内にＣＭＯＳビデオカメラと一緒に搭載されたソフトテンタクルの概略長手断面図である。図１６（ｄ）は、ポリエチレンチューブと一緒に挿入されたソフトテンタクルの概略長手断面図である。磁気結合したソフトグリッパの空気圧作動にチューブを用いた。図１７は、長手軸に対して平行な面から見たテンタクル−グリッパの概略断面図を示す。ソフトテンタクル内に埋め込まれたリング型磁石とソフトグリッパ内に埋め込まれたリング型磁石は互いに引き合い、中央の空気圧チャネルを一直線に並べた。ポリエチレンチューブ（テンタクルの中央チャネルに挿入された）を介して圧縮空気が搬送され、ソフトグリッパが空気圧により作動した。
【００７９】
（実施例５：ハード構造モジュールの設計と製造）
この実施例では、３Ｄ印刷を用いて、ＡＢＳ樹脂から４つの異なるハード構造要素を設計・製造した。これらの異なるモジュールは、１）六角形フレームと、２）６つの側方磁気コネクタと、３）２つの磁気コンテナと、４）中央磁気コネクタとを有する。
【００８０】
１．六角形フレーム
六角形ハードフレーム（図９Ａ）は、モジュールロボットの主骨格と中央ボディとして機能する。このフレームは、１つの中空部と６つのソケットからなる（図９Ａ）。これらはそれぞれ、適合する形状と寸法を有する他の磁気ハードコネクタ（１つは中空部用、残りの６つは側方ソケット用）に隙間なく嵌まるように構成されている（図９Ａから図９Ｃ）四本脚ウォーカーのソフトレッグに結合させるために、側方ソケットのうち４つが用いられる。そして、残りの２つの側方ソケットにより、追加のソフトアクチュエータ、あるいは、新規機能（例えば保存）のための別のモジュール（例えばコンテナ）を導入できる。
【００８１】
２．ハードコネクタ
ソフト−ハードハイブリッドロボットの中央ボディ（六角形フレーム）にソフトレッグを接続するためのアダプタとしての側方コネクタ（「ハードコネクタ」と称す）を設計した。磁石埋め込み型ソフトレッグを取り付けるためにハードコネクタの一面にＮｄＦｅＢリング型磁石が収容され、コネクタの対向する面には六角形フレームの側方ソケットが嵌まって機械的にロックされている。埋め込まれたリング型磁石の中央を通る開口チャネルは、２つの面を接続し、磁力で取り付けられたソフトアクチュエータの空気圧作動用吸気口として機能した（図９Ｄから図９Ｆ）。リング型磁石を埋め込むポケットの深さは、リング型磁石の厚さよりも約０．５ｍｍから約１．０ｍｍ短くし、リング型磁石の上面が必ずソフトアクチュエータの磁気面と直接に物理的に接するようにした。また、Ecoflex（登録商標）0030の薄膜を硬化させ、ハードコネクタのスルーホールの周りをコーティングした。このコーティングにより、ＡＢＳ熱可塑性材の多孔性表面からのガス漏れが最小となり、結合したソフトアクチュエータの空気圧作動中に行うガス供給についてより効率的なシステムが得られる。
【００８２】
３．ハードコンテナ
ハイブリッドロボットを用いてセンチメートルサイズの物体の輸送を容易にするために、ハードコンテナを製造してリング型磁石と一緒に埋め込み、ハイブリッドロボットのボディ（すなわり六角形フレーム）に取り付けられたハードコネクタと一緒に可逆的に組み立てた（図９Ｇから図９Ｉ）。
【００８３】
４．中央コネクタ
ハイブリッドロボットの六角形フレームの中央にソフトテンタクルを接続するための中央磁気コネクタ（図１８Ａ）を設計・製造し、中央コネクタの周縁部に４つのブリッジアダプタ（図１８Ｂ）を導入して六角形ハードフレームの内側に隙間なく固定した（図１８Ｂ、図１８Ｅ）。ソフトテンタクル内に埋め込まれた１組の相補的なリング型磁石を引きつけるために、４つの小さいホルダ内に保持された４つのＮｄＦｅＢリング型磁石のアレイ（図１８Ｃと図１８Ｆ）を、中央コネクタの中空部の周りに配置した。これらのホルダは、中央コネクタの開口チャネルの内側で覆われて閉じ込められる程度に充分に大きく（図１８Ｄ、図１８Ｇ）、チャネル内での動作が妨げられない程度に充分に小さく設計した。取り付けられたソフトテンタクルの空気圧作動用吸気口として機能するように、磁石ホルダの裏側にポリエチレンチューブを挿入した。ハードコネクタの構造と同様に、リング型磁石を収容するためのポケットをリング型磁石の厚さよりも約０．５ｍｍから約１．０ｍｍ浅く作成すると共に、Ecoflex（登録商標）0030を塗布して４つの磁石ホルダの中央チャネルをコーティングした。
【００８４】
（実施例６：膨張式コネクタの製造）
リング型磁石（外径３／８”×内径１／８”×厚さ０．０６”）を膨張式コネクタの所定のポケット内に挿入し、片面スコッチテープを磁石の上に貼付した（図１９Ａ、図１９Ｂ）。スコッチテープは２つの穴を有する。２つの穴の位置と寸法は、リング型磁石とコネクタの側方チャネルとにある穴に適合する。コネクタ内部のチャネルを液状プレポリマーEcoflex（登録商標）0030で充填した（図１９Ｃ）。減圧下でアセンブリ全体を３分間脱気して気泡を除去した後、２つの（内部に針が設けられた）ポリエチレンチューブを中央チャネルと側方チャネル内に挿入した（図１９Ｄ）。プレポリマーを４時間硬化させた後、針に沿ってチューブを取り外し、ポリマーの余剰分をカミソリの刃で切り取った（図１９Ｅ）。一片のスコッチテープにより、磁石を収容するコネクタの表面に設けられた微小孔内で液状ポリマーが硬化するのが妨げられる。従って、圧縮空気で圧縮した場合、磁石の上方に位置するエラストマーの薄膜は、容易に膨張することになる。図２Ｆ、図２Ｉは、側方チャネルを通じて圧縮空気源に取り付けられた場合の、膨張式コネクタに設けられた薄膜の作動状態を示す。
【００８５】
説明のため、工程を実施する特定の順序を示しているが、当該順序はあらゆる点を考慮して変更可能である。あるいは、複数の工程を結び付けてもよく、この場合でも依然として所望の構成を実現できる。さらに、開示している実施形態には変形例が可能であって、特許請求の範囲に記載の発明は、開示している発明の範囲内にある。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図９−３】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月21日(2018.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再構成可能なロボットデバイスであって、
可撓性ボディとハード部品とを備え、
前記可撓性ボディは、（ａ）該可撓性ボディ内に配置され、第１入口に流体接続された少なくとも１つのチャンバと、ここで前記可撓性ボディは、圧縮により作動可能である、（ｂ）前記可撓性ボディ内に埋め込まれ、前記第１入口の近傍に配置された第１磁気接続部と、（ｃ）前記可撓性ボディの表面において前記第１磁気接続部の位置に配置された第１導電部とを有し、
前記ハード部品は、（ａ）第２入口を有する剛体と、ここで前記ハード部品の前記剛体は、前記第１入口を備える前記可撓性ボディの一端を収容する寸法の複数の壁及び１つの床を有するキャビティを画定する、（ｂ）前記第２入口の近傍に配置された第２磁気接続部と、（ｃ）前記剛体の表面において前記第２磁気接続部の位置に配置された第２導電部とを有し、
前記可撓性ボディ及び前記ハード部品の前記第１磁気接続部及び前記第２磁気接続部は、互いに引き合って前記可撓性ボディと前記ハード部品との間を封止し、前記第１入口と前記第２入口との間を流体連通させる
ロボットデバイス。
【請求項２】
前記可撓性ボディ及び前記ハード部品の前記第１磁気接続部及び前記第２磁気接続部は、互いに引き合って前記第１導電部と前記第２導電部との間を電気が流れるために十分な接触を提供する、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項３】
フレームは前記剛体から前記可撓性ボディへ電気を流す、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項４】
前記剛体はさらにバッテリ電源を備えた、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項５】
前記可撓性ボディはさらに、広範層とひずみ制限層とを備えた、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項６】
前記第２導電部は前記ひずみ制限層に埋め込まれた、
請求項５に記載のロボットデバイス。
【請求項７】
前記第１導電部及び前記第２導電部の少なくとも一方は金属箔である、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項８】
前記金属箔はアルミ箔である、
請求項７に記載のロボットデバイス。
【請求項９】
前記第１導電部及び前記第２導電部の少なくとも一方は液体金属である、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項１０】
前記液体金属は、ガリウム・インジウム共晶混合物である、
請求項９に記載のロボットデバイス。
【請求項１１】
第１磁気接続部及び第２磁気接続部の少なくとも一方は電磁石である、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項１２】
前記可撓性ボディはさらに発光ダイオードを備えた、
請求項１に記載のロボットデバイス。
【請求項１３】
再構成可能なロボットデバイスを組み立てる方法であって、
可撓性ボディとハード部品とを準備する工程であって、
前記可撓性ボディは、（ａ）第１入口に流体連通し、モールドボディ内に配置された少なくとも１つのチャンバと、ここで前記可撓性ボディは加圧により作動可能である、（ｂ）前記可撓性ボディ内に埋め込まれて前記第１入口の近傍に配置された第１磁気接続部と、（ｃ）前記可撓性ボディにおいて前記第１磁気接続部の位置に配置された第１導電部とを備え、
前記ハード部品は、（ａ）第２入口を有する剛体と、ここで前記ハード部品の前記剛体は、前記第１入口を備える前記可撓性ボディの一端を収容する寸法の複数の壁及び１つの床を有するキャビティを画定する、（ｂ）前記第１入口の近傍に配置された第２磁気接続部と、（ｃ）前記剛体の表面において前記第２磁気接続部の位置に配置された第２導電部とを有する
工程と、
前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部との間に作用する磁気吸引力により、前記可撓性ボディを前記ハード部品に結合する工程と
を含む方法。
【請求項１４】
前記可撓性ボディを前記ハード部品に結合する前または後に、前記ハード部品を剛体フレームに固定する工程をさらに含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
再構成可能なロボットデバイスを解体する方法であって、
可撓性ボディと、ハード部品と、膨張式ブラダとを備えたロボットデバイスを準備する工程であって、
前記可撓性ボディは（ａ）第１入口に流体連通し、モールドボディ内に配置された少なくとも１つのチャンバと、（ｂ）前記可撓性ボディ内に埋め込まれて前記第１入口の近傍に配置された第１磁気接続部と、（ｃ）前記可撓性ボディの表面において前記第１磁気接続部の位置に配置された第１導電部とを有し、
前記ハード部品は（ａ）第２入口を有する剛体と、（ｂ）前記第１入口の近傍に配置された第２磁気接続部と、（ｃ）前記剛体の表面において前記第２磁気接続部の位置に配置された第２導電部とを有し、
前記膨張式ブラダは、前記可撓性ボディとは独立して差動可能であって、少なくとも一部が前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部との間に配置された
工程と、
ここで前記第１磁気接続部と前記第２磁気接続部は、互いに弾性的に接触して前記可撓性ボディと前記ハード部品との間を封止すると共に前記第１入口と前記第２入口との間で流体連結している、
前記膨張式ブラダを作動させる工程であって、前記膨張式ブラダは、加圧により膨張し、前記可撓性ボディと前記ハード部品とを分離する工程とを含む、
方法。
【請求項１６】
再構成可能なロボットデバイスを作動させる方法であって、
請求項１から１２のいずれか１項に記載のデバイスを準備する工程と、
前記デバイスを外部圧力源に接続する工程と、
前記デバイスを加圧し、前記可撓性ボディ内に配置された少なくとも１つのチャンバを作動させる工程とを含む
方法。
【請求項１７】
組み立ておよび解体できる再構成可能なロボットデバイスであって、
第１磁気接続部及び第１導電部を有する可撓性ボディと、
第２磁気接続部及び第２導電部を有するハードボディと、ここで前記第１磁気接続部及び前記第２磁気接続部は、互いに引き合って前記可撓性ボディと前記ハードボディとの間を封止し、前記第１導電部と前記第２導電部との間を電気が流れるために十分な接触を提供する、
少なくとも一部が前記可撓性ボディと前記ハードボディとの間に配置された膨張式ブラダと、ここで前記膨張式ブラダは加圧により、前記可撓性ボディ及び前記ハードボディを分離する、
を含む、
ロボットデバイス。
【外国語明細書】
2019051589000001.pdf