(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマーボディであって、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディと、
前記エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層と、
らせんまたは蛇行パターンを成すように前記エラストマーボディ内に埋め込まれた少なくとも１つのファイバブラッググレーティングベース光センサと、を備えた、
ソフトロボティックデバイス。
【請求項２】
前記グレーティングベース光センサは、物理的信号、化学的信号、生物学的信号または電子的信号を検出するように構成されている、
請求項１に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項３】
前記グレーティングベース光センサは、傾斜ファイバブラッググレーティングセンサ、チャープグレーティングセンサおよび長周期ブラッググレーティングセンサから成る群から選択される、
請求項１に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項４】
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの状態に関する情報を与えるように構成されている、
請求項１に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項５】
前記ソフトロボティックデバイスの状態は、該ソフトロボティックデバイスに沿って位置する複数のポイントでの、圧力、温度、位置、長さ、曲率、向き、速度、加速度、形態、応力、歪みおよび物理的状態から成る群から選択される、
請求項４に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項６】
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの外部環境に関する情報を与えるように構成されている、
請求項１に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項７】
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの外部環境における温度、湿度、化学的薬剤または生物学的薬剤を検出するように構成されており、または、
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの歪み、力、磁場、流量、屈曲、方向性屈曲、三次元の状態、振動、圧力、温度情報を検出するように構成されている、
請求項１から６のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項８】
前記グレーティングベース光センサは、前記エラストマーボディ内に成形され、または一体成型されている、
請求項１に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項９】
前記グレーティングベース光センサは、前記エラストマーボディから取り外し可能である、
請求項８に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１０】
前記歪制限層内に埋め込まれ、または前記歪制限層に取り付けられた１つ以上のグレーティングベース光センサを備えた、
請求項１から９のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１１】
互いに異なる周期を有し、スペクトル的に分割された複数のグレーティングベースセンサをさらに備えた、
請求項１から１０のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１２】
前記互いに異なる周期を有し、スペクトル的に分割された複数のグレーティングベースセンサは、１つのファイバ片に沿って一緒に配置され、または、それぞれ別個に配置されて継ぎ合わされている、
請求項１１に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１３】
前記加圧用インレットは、外部の流体源から到来する流体を受けるように構成されている、
請求項１から１２のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１４】
前記エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層と、
前記歪制限層内に埋め込まれ、または前記歪制限層に取り付けられた１つ以上のグレーティングベース光センサと、
前記エラストマーボディ内に埋め込まれ、または前記エラストマーボディに取り付けられた１つ以上のグレーティングベース光センサと、をさらに備えた、
請求項１から１３のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１５】
グレーティングベースセンサ、生物学的検体センサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、化学兵器センサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機および電流センサから成る群からそれぞれ独立して選択される１つ以上の追加のセンサをさらに備えた、
請求項１から１４のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【請求項１６】
前記ファイバブラッググレーティングベースセンサに動作可能に接続されて前記ファイバブラッググレーティングベースセンサからの読み出しを受信するとともにその読み出しを解釈するように構成された、少なくとも１つのプロセッサと、
前記ファイバブラッググレーティングベースセンサにより生成される読み出し、または、前記プロセッサによる前記読み出しの解釈に基づいて、前記ソフトロボティックデバイスの動きを制御するように構成された制御システムと、をさらに備えた、
請求項１から１５のいずれか１項に記載のソフトロボティックデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［参照組込み］
本明細書内で引用されるすべての特許、特許出願、および特許公開は、参照によりその全体の内容が本明細書に組み込まれる。本明細書で説明される本発明の時点で当業者に知られた技術水準をより完全に説明するために、これらの刊行物の開示は、参照によりその全体の内容が本出願に組み込まれる。
【０００２】
［関連出願］
本出願は、２０１５年１月１２日に出願された米国仮出願第６２／１０２，３６３号に対して優先権の利益を主張し、その内容は全体として参照により組み込まれる。この出願は、２０１５年８月２１日に出願された国際出願（国際出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１５／４６３５０）に関連し、その内容は全体として参照により組み込まれる。
【０００３】
［連邦政府の権利］
本発明は、国防総省により授与された国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）認可番号Ｗ９１１ＮＦ‐１１‐１‐００９４と、全米科学財団（ＮＳＦ）により授与された認可番号ＤＭＲ‐０８２０４８４に基づいて、米国政府の助成によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００４】
［技術分野］
この技術は、概して、センサを組み込んだソフトロボットまたはソフトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００５】
ソフトデバイスは、ソフトマテリアル（エラストマー、ゲル、液体など）から製造される。これらのソフトデバイスは、電気的駆動、化学的駆動、空気圧駆動、磁気流体駆動、または油圧駆動時に、そのサイズや形状を容易に変化させることができる点で有用である。さらに、これらのデバイス（ヤング率が１０ＭＰａ未満）の形成には低剛性のエラストマー材料が用いられることから、上記デバイスは外力に応じて容易に変形する。こうした特質のために、ソフトデバイスはハードマシンでは果たすのが難しい機能を果たしうる。当該機能は、例えば、精密なソフトマテリアル（生物組織など）との相互作用、組織化されていないタスクを実行すること（例えば不定形状の物体を把持すること）である。複雑なタスクを実行するため、機械は、それが硬質(hard)か軟質(soft)かにかかわらず、典型的には電気部品（モータ、センサ、マイクロコントローラ、ディスプレイ、ポンプ、バッテリなど）を一体化している必要がある。これらの装置を制御して、自律型または半自律型のソフトロボットシステムを作製する必要がある。
【０００６】
ソフトアクチュエータの形態を知ることは、ソフトロボットの制御システムを作る上で重要である。なぜなら、ソフトロボットは、ハードロボットと異なり、空気圧または油圧の膨張圧に基づいて、あるいは外部環境の力により、体積と形状が変更するからである。さらに、ソフトロボットは、ハードロボットと異なり、アクチュエータのソフトマテリアルの力（外力であるか内力であるかにかかわらず）に対する反応の非線形の程度が大きく、したがって、力に反応するアクチュエータの挙動を予測するための計算が極めて複雑かつ困難になる。
【０００７】
ロボットの形態を知る必要性は、従来のハードロボットの世界では顕著な問題ではなかったものの、早急に解決する必要がある課題である。ハードロボットでは、外部環境から加わる力により生じる結果は単純である。例えば、ハードロボットアームに加えられる力は、一定距離だけアームを移動させ、計算するのが容易である。これは、ロボットが一連のハード部品およびリンク機構から作製されるところ、これらは標準操作中に変形しないからである。これに対して、外部環境からの力がソフトロボットアームに加えられると、得られる結果は極めて複雑である。というのは、ソフトアームが移動も変形もするからである。
【０００８】
これに加えて、作動中、アクチュエータを構成するエラストマーの剛性は変化しうる。例えば、膨張圧の大きさがアクチュエータの最大膨張圧の３０％である場合、当該エラストマーは、低歪み状態（エラストマーの剛性は「Ａ」）にあり、膨張圧が最大膨張圧の８０％である場合、当該エラストマーは、高歪み状態（異なる剛性「Ｂ」）にある。その結果、各作動増分を得るためには異なる大きさの力が必要となる。
【０００９】
エラストマーに固有の特性に起因して、応力対歪みのプロファイルが、伸長状態と非伸長状態（緩和状態）とで異なることがある。エラストマーは、負荷をかけるとき(loading)と負荷を取り除くとき(unloading)のサイクル中に高ヒステリシスを示す。このような負荷印可時と負荷除去時との間でのプロファイルの相違の程度は、２つのプロファイルの間で一方が循環する速度に応じて変わる。その結果、システムは記憶（メモリ）を有する。このようなエラストマーの態様により、アクチュエータの膨張圧の知識を用いただけでは、ソフトアクチュエータを制御するのは困難となるだろう。http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/stress-and-strain/revise-it/stress-strain-graphsも参照されたい。
【発明の概要】
【００１０】
一態様では、センサまたはセンサネットワークを有するソフトロボティックデバイスであって、ロボットおよび／またはその環境に関する情報を与えるソフトロボティックデバイスを提供する。前記センサの非制限的な例は、光センサ、光ファイバセンサ、エバネッセント波センサ、プラズモンセンサ、グレーティングベースセンサ、蛍光センサおよび非線形光センサである。これらの光センサは、光ファイバ、平面型導波路、オーダメイドの導波路およびＰＣＦなどの光学構造体を介して実装されてもよい。他の非制限的な例は、化学的検出や生物学的検出を行うセンサ、応力、応力の方向、音を測定可能なセンサである。さらに別の実施形態では、センサは、サーマルセンサ、ケミカルセンサ、生物学的検体センサ、音響センサ、光センサ、放射線センサであってもよい。ある実施形態では、前記センサは、前記ソフトアクチュエータまたはソフトロボットに沿った複数のポイントで、位置、形態および／または物理的状態を決定するために用いられる。前記センサまたはセンサネットワークを利用することにより、前記ソフトロボティックデバイスの現在の状態（例えば、空間内での三次元位置、速度、加速度）をリアルタイムで観察でき、さらに、その環境に関する情報（例えば、温度、放射、照明、音、特定の化学的薬剤または生物学的薬剤の存在）を検知／知覚できる。前記センサからのフィードバックは、前記ソフトロボティックデバイスの次の動作を決定する制御システムへの入力として機能しうる。
【００１１】
他の態様では、
ユーザの１つ以上の筋肉または身体の一部の動きをアシストするように構成され、かつ、
エラストマーボディを有するソフトロボットであって、前記エラストマーボディは、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給され、前記ソフトロボットを作動させるための流体を受けるように構成された加圧用インレット（加圧用入口、加圧口）とを有する、ソフトロボットと、
物理的信号、化学的信号または電気的信号を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと、
前記センサに動作可能に接続され、前記センサから出力される読み出しを受信するとともに該読み出しを解釈するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
前記１つ以上のセンサにより生成される読み出し、または、前記プロセッサによる前記読み出しの解釈に基づいて、ユーザの１つ以上の筋肉または身体の一部の動きをアシストするように前記ソフトロボットを作動させる制御システムと、を備えた、
ソフトロボティック人工装具システムについて説明する。
【００１２】
さらに別の態様では、モーションキャプチャを行うコンピュータプログラムにより、またはＸ線イメージングシステムにより、前記アクチュエータに沿った複数のポイントで、位置、速度、加速度、向き、運動量および歪み／形態を視覚的に決定するために、前記ソフトロボットのボディに沿って設けられた１つ以上の撮像領域を有するソフトロボティックデバイスについて説明している。前記撮像領域は、認識可能な任意の色の着色領域または放射線造影剤（例えば、医療用イメージングにより認識可能な化学物質）であってよい。
【００１３】
一態様では、
エラストマーボディであって、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディと、
少なくとも１つのファイバブラッググレーティングベース光センサと、を備えた、
ソフトロボティックデバイスについて説明する。
【００１４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、物理的信号、化学的信号、生物学的信号または電子的信号を検出するように構成されている。
【００１５】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、傾斜ファイバブラッググレーティングセンサ(tilted fiber Bragg gratings sensor)、チャープグレーティングセンサおよび長周期ブラッググレーティングセンサから成る群から選択される。
【００１６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの状態に関する情報を与えるように構成されている。
【００１７】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、該ソフトロボティックデバイスに沿って位置する複数のポイントでの、圧力、温度、位置、長さ、曲率、向き、速度、加速度、形態、応力、歪みおよび物理的状態から成る群から選択される。
【００１８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの外部環境に関する情報を与えるように構成されている。
【００１９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボティックデバイスの外部環境における温度、湿度、化学的薬剤(chemical agent)または生物学的薬剤(biological agent)を検出するように構成されており、または、
前記グレーティングベース光センサは、前記ソフトロボットの歪み、力、磁場、流量、屈曲、方向性屈曲(directional bending)、三次元の状態、振動、圧力、温度情報を検出するように構成されている。
【００２０】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記エラストマーボディ内に埋め込まれ、または、前記エラストマーボディの外側に取り付けられている。
【００２１】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベースセンサは、前記エラストマーボディ内に成形され、または一体成型されている。
【００２２】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記エラストマーボディに縫い合わされ、接着剤で固定され、スナップ嵌合し、または、面ファスナを用いて前記エラストマーボディに固定されている。
【００２３】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記エラストマーボディから取り外し可能である。
【００２４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記グレーティングベース光センサは、前記エラストマーボディまたはその一部の周りにらせん状に巻かれている。
【００２５】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、
前記エラストマーボディの一面（または一方）に沿って配置された歪制限層と、
前記歪制限層内に埋め込まれ、または前記歪制限層に取り付けられた１つ以上のグレーティングベース光センサと、をさらに備えている。
【００２６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、互いに異なる周期を有し、スペクトル的に分割された複数のグレーティングベースセンサをさらに備えている。
【００２７】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記互いに異なる周期を有し、スペクトル的に分割された複数のグレーティングベースセンサは、１つのファイバ片に沿って一緒に配置され、または、それぞれ別個に配置されて継ぎ合わされている。
【００２８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記加圧用インレットは、外部の流体源から到来する流体を受けるように構成されている。
【００２９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、
前記エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層と、
前記歪制限層内に埋め込まれ、または前記歪制限層に取り付けられた１つ以上のグレーティングベース光センサと、
前記エラストマーボディ内に埋め込まれ、または前記エラストマーボディに取り付けられた１つ以上のグレーティングベース光センサと、をさらに備えている。
【００３０】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、
グレーティングベースセンサ、生物学的検体センサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、化学兵器センサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機および電流センサから成る群からそれぞれ独立して選択される１つ以上の追加のセンサをさらに備えている。
【００３１】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、
前記グレーティングベースセンサに動作可能に接続されて前記グレーティングベースセンサからの読み出しを受信するとともに該読み出しを解釈するように構成された、少なくとも１つのプロセッサと、
前記グレーティングベースセンサにより生成される読み出し、または、前記プロセッサによる前記読み出しの解釈に基づいて、前記ソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムと、をさらに備えている。
【００３２】
他の態様では、
ユーザの１つ以上の筋肉または身体の一部の動きをアシストするように構成され、かつ、
エラストマーボディを有するソフトロボットであって、前記エラストマーボディは、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給され、前記ソフトロボットを作動させるための流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有する、ソフトロボットと、
物理的信号、化学的信号または電気的信号を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと、
前記センサに動作可能に接続され、前記センサから出力される読み出しを受信するとともに該読み出しを解釈するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、
前記１つ以上のセンサにより生成される読み出し、または、前記プロセッサによる前記読み出しの解釈に基づいて、ユーザの１つ以上の筋肉または身体の一部の動きをアシストするように前記ソフトロボットを作動させる制御システムと、を備えた、
ソフトロボティック人工装具システムについて説明する。
【００３３】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、電気センサ、磁気センサ、光センサ、サーマルセンサ、オーディブルセンサ（音響センサ）、歪センサ、ケミカルセンサ（化学的センサ）およびメカニカルセンサ（機械的センサ）から成る群から選択される。
【００３４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、前記ソフトロボットの外側に配置され、または前記ソフトロボット内に取り付けられもしくは埋め込まれている。
【００３５】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、ユーザからの音声命令を受信するように構成されたオーディブルセンサである。
【００３６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、ユーザの筋肉の歪み、または、前記ソフトエラストマーボディの歪みを測定するように構成された歪センサである。
【００３７】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、ユーザの１つ以上の筋肉群における筋肉の興奮を通じて電気信号を測定するように構成された電気センサである。
【００３８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、ユーザの脳の神経の興奮を通じて電気信号を測定するように構成された電気センサである。
【００３９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記センサは、揺れ（震え）に関連する筋肉活動または神経活動を測定するように構成され、
前記制御システムは、前記揺れ（震え）を抑えるように前記ソフトロボットを作動させる。
【００４０】
他の態様では、
エラストマーボディであって、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディと、
前記ソフトロボティックデバイスにおける他の領域とは異なる視覚信号を与えるように構成され、かつ、前記ソフトロボティックデバイスの状態に関する情報を与えるように構成された１つ以上の撮像領域を備えた、
ソフトロボティックデバイスについて説明する。
【００４１】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、前記エラストマーボディの表面の上に配置され、または、前記エラストマーボディ内に埋め込まれている。
【００４２】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、前記エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備え、
前記複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、前記歪制限層の表面の上に配置され、または前記歪制限層内に埋め込まれている。
【００４３】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、前記ソフトロボティックデバイスにおける他の領域と色が異なる着色領域である。
【００４４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記着色領域の色は、裸眼、撮像装置またはモーション検出システムにより認識できる。
【００４５】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、ソフトロボティックデバイスにおける他の領域とは色が異なる着色領域であり、
前記ソフトロボティックデバイスは、前記着色領域の形状、面積および色強度の変化を追跡および／または検出するように構成されたモーション検出システムをさらに備えている。
【００４６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記着色領域は、前記ソフトロボティックデバイスの応力状態および歪み状態に関する情報を与えるように構成されている。
【００４７】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、前記ソフトロボティックデバイスにおける他の領域とは色が異なる着色領域であり、
前記ソフトロボティックデバイスは、前記着色領域を追跡および／または検出するように構成されたモーション検出システムをさらに備えている。
【００４８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記着色領域は、前記ソフトロボティックデバイスの位置に関する情報を与えるように構成されている。
【００４９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、撮像装置により検出可能であるように構成された放射線造影剤を含む。
【００５０】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記放射線造影剤はバリウム塩を含む。
【００５１】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記撮像装置はＸ線装置を含む。
【００５２】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記撮像装置は、ＣＴ（Ｘ線コンピュータトモグラフィ）イメージングシステムまたはフルオロスコープイメージングシステムを備えている。
【００５３】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記放射線造影剤はＭＲＩ用造影剤を含み、
前記撮像装置はＭＲＩを含む。
【００５４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスの状態は、ソフトロボティックデバイスの圧力、位置、長さ、曲率、向き、速度、加速度、歪み、応力、形態および物理的状態から成る群から選択される。
【００５５】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、
グレーティングベースセンサ、サーマルセンサ、ケミカルセンサ、生物学的検体センサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、化学兵器センサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機および電流センサから成る群からそれぞれ独立して選択される１つ以上の追加のセンサをさらに備えている。
【００５６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、
前記撮像領域を検出するように構成されたモーショントラッキングシステム、および、前記撮像領域を検出するように構成された撮像装置のうち少なくとも一方と、
前記モーショントラッキングシステムまたは前記撮像装置により生成された読み出しに基づいて前記ソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムと、をさらに備えている。
【００５７】
他の態様では、
エラストマーボディを有するソフトロボットであって、前記エラストマーボディは、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有する、ソフトロボットと、
信号を検知するためのセンサネットワークと、
前記センサネットワークに動作可能に接続され、前記センサの読み出しに基づいて、信号の位置、勾配および／または存在を決定するように構成されたプロセッサと、を備えた、
ソフトロボティックシステムについて説明している。
【００５８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記プロセッサは、前記センサの読み出しに基づいて前記信号の位置および／または勾配を計算するアルゴリズムを有している。
【００５９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックシステムは、前記１つ以上のセンサにより生成される読み出し、または前記プロセッサによる前記読み出しの解釈に基づいて、前記ソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムをさらに備えている。
【００６０】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記制御システムは、前記ソフトロボットを制御し、前記信号の位置に向かわせ、または前記信号の位置から離れさせるように構成されている。
【００６１】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記信号は、光、音、熱、放射性物質、化学物質、生物学的製剤(biological)、電場および磁場から成る群から選択される１つ以上の信号である。
【００６２】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数のセンサのうち少なくとも１つは、前記エラストマーボディの表面の上に配置され、または、前記エラストマーボディ内に埋め込まれている。
【００６３】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備え、
前記複数のセンサのうち少なくとも１つは、前記歪制限層の表面の上に設けられ、または前記歪制限層内に埋め込まれている。
【００６４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態に係るソフトロボティックデバイスの状態を検知する方法であって、
前記１つ以上のセンサからの読み出しを取得するステップと、
前記ソフトロボティックデバイスの状態を決定するステップと、を含む、
方法を開示している。
【００６５】
さらに別の態様では、
エラストマーボディであって、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディと、 
前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに流入する流体の体積、および／またはこれらから流出する流体の体積を測定するように構成された体積検出システム、および、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバ内の流体の圧力を測定するように構成された圧力センサ、から成る群から選択された１つ以上のセンサと、を備えた、
ソフトロボティックデバイスについて説明している。
【００６６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記体積検出システムおよび／または前記圧力センサは、前記ソフトロボティックデバイスの作動状態に関する情報を与えるように構成されている。
【００６７】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスの状態は、前記チャンバの膨張状態、前記ソフトロボティックデバイスの応力、歪み、圧力、曲率および形態から成る群から選択される。
【００６８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、オブジェクト（物体）を把持するように構成されたグリッパであり、
前記体積検出システムおよび／または前記圧力センサは、把持力、把持している前記オブジェクトの大きさ、または、前記オブジェクトの追従プロファイルのグリッパについての情報を与えるように構成されている。
【００６９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、プロセッサおよび／またはコントローラシステムと、該プロセッサおよびまたはコントローラに組み込まれ、前記体積検出システムが前記チャンバ内の流体の体積がしきい値を超えたことを検出したときに、かつ／または、前記圧力センサが前記チャンバ内の圧力がしきい値を超えたことを検出したときに、前記制御システムに修正動作を開始させる命令と、をさらに備えている。
【００７０】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボティックデバイスは、経時的な流量変化および／または圧力変化を検出するように構成されたプロセッサおよび／またはコントローラシステムをさらに備えている。
【００７１】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記プロセッサおよび／またはコントローラシステムは、流量および／または圧力の急な増加、減少または変動を検出するように構成され、かつ、前記コントローラシステムに命令を出して前記チャンバ内への流体の更なる流入を停止させるように構成されている。
【００７２】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記プロセッサおよび／またはコントローラシステムは、流量および／または圧力の急な減少の後に、前記流体が前記チャンバ内へ連続的に流入することを特徴する流量／圧力プロファイルを検出し、前記コントローラシステムに命令を出して前記流体の前記チャンバ内への更なる流入を停止させるように構成されている。
【００７３】
さらに別の態様では、
エラストマーボディを有するソフトロボットであって、前記エラストマーボディは、該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、前記１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有する、ソフトロボットと、
１つ以上のサーマルセンサ（熱センサ）と、
前記１つ以上のサーマルセンサに動作可能に接続され、前記サーマルセンサの読み出しに基づいて前記チャンバの流体加圧を制御するように構成されたプロセッサと、を備えた、
ソフトロボティックシステムについて説明している。
【００７４】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、前記ソフトロボットのエラストマーボディ内に埋め込まれ、または前記エラストマーボディに取り付けられている、
【００７５】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記ソフトロボットは、前記エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備え、
前記複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、前記歪制限層の表面に取り付けられ、または、前記歪制限層内に埋め込まれている。 
【００７６】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、前記ソフトロボットから所定距離離れた位置に配置されている。
【００７７】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、前記ソフトロボットから約０．１ｍ、約０．３ｍ、約０．５ｍ、約１ｍ、約５ｍ、約１０ｍ、約５０ｍ、約１００ｍ、約２００ｍ、約５００ｍまたは約１０００ｍ離れた位置に配置されている。
【００７８】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記プロセッサは、前記サーマルセンサの読み出しに基づいて、前記流体の量および／または前記チャンバ内の圧力を調整するように構成された流体ポンプを制御する。
【００７９】
本明細書で説明しているいずれかの実施形態で、
前記プロセッサは、前記サーマルセンサからの読み出しを解釈し、前記ソフトロボティックデバイスの剛性および／または形態をリアルタイムで測定するように構成され、かつ、前記チャンバの流体加圧を制御して、温度に応じた前記エラストマーボディの剛性の変化を補償するように構成されている。
【００８０】
本明細書では、「ソフトロボティックデバイス」は、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータを指す。本明細書では、“strain limited layer”と“strain limiting layer”はともに「歪制限層」と称する。歪みは、ボディの相対変位の点から変形を表す用語である。変形は、力（本明細書の例では、例えば加圧力）を加えることにより生じる応力に起因するものである。剛性がより低い（または弾性率がより小さい）材料は、弾性率がより大きい材料に比べてより大きく変形するので、剛性の低い材料は、生じる歪みや変形量が大きくなる。その結果、剛性がより高く、または弾性率がより大きい材料に生じる歪みは、小さく、または「制限される」。本明細書では、ソフトロボットの層、壁または一部が、より小さいしきい値の力で伸張し、屈曲し、膨張し、または展開することを、「伸張性がある」または「歪みが小さい（低歪）」部材であると表現する。また、ソフトロボットの層、壁または一部が、より大きいしきい値の力で伸張し、屈曲し、膨張し、または展開することを、「歪制限」層、壁または部材と表現する。
【００８１】
ある実施形態では、「歪制限層」は、エラストマーボディと比べて剛性が高く、または伸縮性が低く、エラストマーボディに取り付けられ、またはエラストマーボディに固定された層を指す。１つ以上の実施形態では、歪制限層は、エラストマーボディと比べて、約１０％、約２０％、約５０％を超える割合、約１００％を超える割合または約５００％を超える割合だけ剛性が高い。
【００８２】
本明細書では、ソフトロボットの「状態」は、ソフトロボットの一般的な動作状態を指す。ソフトロボットまたはそのシステムの状態について、一組の状態変数を用いて説明する。当該システムの状態変数は、ユーザに対するロボットの現在および／または未来の挙動を記述する、システムに関する十分な情報を全体として与えるような測定値の任意の組、またはユーザが観察しようとする変数の組である。十分な状態変数の組は、システムに応じて、さらにユーザが観察しようとするものに応じて、１つの測定値または一組の測定値で構成されてよい。一組の状態変数が十分であるか否かを規定する基準は、当該変数の組が、ユーザが観察しようとする１つの測定値、または一組の測定値の現在の挙動および／または未来の挙動を正確に予測し、または近似するための十分な情報を与えるか否かである。ソフトロボットの状態変数の非制限的な例は、ロボットの位置、ロボットの向き、ロボットの速度、ロボットの加速度、ロボットが最後に作動してから経過した時間、ロボットが最後の作動中に用いられた加圧流体の最大圧力、アクチュエータ内にある加圧流体の体積、アクチュエータの表面の曲率、ロボットのボディに沿った複数のポイントでの材料応力、ロボットのボディに沿った複数のポイントでの材料歪み、ロボットからオブジェクトに印可される力、ロボットの温度、アクチュエータ内の圧力、アクチュエータの外側の圧力、アクチュエータ内側にある加圧流体とアクチュエータの外側環境での周囲圧力との圧力差である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
以下の図は、構造体に組み込むことが可能な複数の用途と特徴についての詳細を説明するものである。これらの例では、ソフトロボティックデバイスを加圧された流体源に接続することを想定している。添付の図面を参照して本発明を説明するが、図面は説明のためのものであって、本発明を限定することを意図しているのではない。
【００８４】
【図１】ファイバブラッググレーティングの概略図である。
【図２】傾斜ファイバブラッググレーティングの概略図である。
【図３】幾つかのＴＦＢＧを示す概略図であり、これらのＴＦＢＧは同じファイバに互いに異なる周期で刻まれている。
【図４Ａ】光導波路が埋め込まれたソフト触手を示す概略図である。
【図４Ｂ】光ファイバのコアに刻まれたチャープグレーティングを示す概略図である。
【図４Ｃ】触手アーム内に一体化されたチャープグレーティングを示しており、センサは、アームの形状およびエンドエフェクタの形状についての状態フィードバックを与えることができる。
【図５】触手アーム内に一体化されたＧＢＳを示しており、センサは、アームの形状およびエンドエフェクタの形状についての状態フィードバックを与えることができる。
【図６Ａ】グレーティングベースセンサについての他の実施形態であり、ソフトデバイスの周りにセンサがらせん状に巻かれている。
【図６Ｂ】グレーティングベースセンサにより測定されるソフトデバイスの状態を示す３Ｄマッピングである。
【図７Ａ】空気圧コントローラにより調節されるソフトアクチュエータの概略図であり、マイクロプロセッサから出力される信号に基づいて、人または動物に接続された外部センサから出力される信号に基づいて、収縮する態様を示している。
【図７Ｂ】空気圧コントローラにより調節されるソフトアクチュエータの概略図であり、マイクロプロセッサから出力される信号に基づいて、人または動物に接続された外部センサから出力される信号に基づいて、膨張する態様を示している。
【図８Ａ】ソフトアクチュエータとの間での信号の電気的なやり取りが示されており、腕の動きにより、導電性材料が埋め込まれた弾性バンドが伸縮し、伸縮の際に抵抗が変化している。
【図８Ｂ】ソフトアクチュエータとの間での信号の電気的なやり取りが示されており、筋肉に取り付けられた電極により、筋肉が収縮したときの電位の変動が測定される。
【図８Ｃ】ソフトアクチュエータとの間での信号の電気的なやり取りが示されており、頭に取り付けられた電極により、ニューロンが動作したときの電位の変動が測定される。
【図９】歪表面に着色マークが設けられたソフトアクチュエータを示している。
【図１０】歪制限表面に着色マークが設けられたソフトアクチュエータを示している。
【図１１Ａ】複数の放射線センサを備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示している。
【図１１Ｂ】複数の放射線センサを備え、作動状態で放射性物質を検出するソフトロボティックデバイスの概略図を示している。
【図１２Ａ】放射性物質を検出するシンチレーションセンサを複数個備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【図１２Ｂ】放射性物質を検出するシンチレーションセンサを複数個備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【図１３】化学物質源を検出する複数のケミカルセンサを備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【図１４】光源を検出する複数の光センサを備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【図１５Ａ】複数のサーマルセンサを備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【図１５Ｂ】熱環境を検出する複数のサーマルセンサを備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【図１６】音響環境を検出する複数の音響センサを備えたソフトロボティックデバイスの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
ソフトロボティックデバイスであって、１つ以上のセンサまたは撮像領域が当該ソフトロボティックデバイスに一体化され、埋め込まれ、取り付けられ、連接され、または接続されたソフトロボティックデバイスについて説明している。幾つかの実施形態では、エラストマーボディであって、そのエラストマーボディ内部に１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバが配置されたエラストマーボディを備えたソフトロボットについて説明している。エラストマーボディは、流体源から１つのチャンバ内（または互いに相互接続された複数のチャンバ内）に流入する流体を受けるように構成された加圧用インレットと、エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層と、少なくとも１つのセンサまたは撮像領域とを備えている。ある実施形態では、センサは、物理的信号、化学的信号および／または電気的信号を検出し、かつ／またはソフトロボットの状態を推定するように構成されている。ある実施形態では、１つ以上のセンサは、エラストマーボディに埋め込まれ、一体化され、取り付けられ、連接され、または接続されている。ある実施形態では、１つ以上のセンサは、歪制限層に埋め込まれ、一体化され、取り付けられ、連接され、または接続されている。ある実施形態では、１つ以上のセンサは、歪制限層に埋め込まれ、一体化され、取り付けられ、連接され、または接続され、かつ、１つ以上のセンサは、エラストマーボディに埋め込まれ、一体化され、取り付けられ、連接され、または接続されている。ある実施形態では、１つ以上のセンサは、歪制限層またはエラストマーボディの外側に配置されている。
【００８６】
幾つかの実施形態では、センサを用いて、ソフトロボティックデバイスの状態を推定してもよい。当該状態は、ソフトロボティックデバイスの圧力、温度、位置、長さ、曲率、向き、速度、加速度、形態、歪み、応力および物理的状態から成る群から選択されてよい。ある実施形態では、ユーザまたはプロセッサがセンサからの読み出しを処理し、ソフトアクチュエータの材料特性と歪センサから出力される歪データとを考慮して、ソフトアクチュエータの歪状態を決定してよい。このようにして、エラストマーのテストサンプルについて、歪と歪プロファイルとの関係を収集できる。生じるデータセットを用いて、アクチュエータ上のあるポイントで測定した歪みと、アクチュエータ上の同じポイントでの対応する材料応力とを関連づけるルックアップテーブルを作成してよい。
【００８７】
ある実施形態では、センサは、流量センサ、体積検出システムまたは体積センサ、グレーティングベースセンサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機、放射線検出器および電流センサから成る群から選択される１つ以上のセンサである。
【００８８】
ある実施形態では、本明細書で説明しているソフトロボットは、２種類以上のセンサを含む。ある実施形態では、本明細書で説明しているソフトロボットは、２種類以上のセンサを含み、各センサは、グレーティングベースセンサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、化学兵器センサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機、放射線検出器および電流センサから成る群から選択される。ソフトロボットにおいて２種類以上のセンサを用いることにより、ソフトロボットのステータスに関するさまざまな情報（例えば、曲率、位置、または配置）が得られる。
【００８９】
幾つかの実施形態では、センサ、センサネットワークまたはセンサシステムは、典型的には可撓性を有しかつ追従性を有し、ソフトアクチュエータ自体と同じ範囲またはより広範囲の変形を生じることができる。
【００９０】
ソフトロボットは、圧力変化が生じたときに膨張または崩壊する膨張性ボディを有する任意のロボットであってよい。幾つかの実施形態では、ソフトロボティックデバイスのソフトボディは、流体源との間で流体のやりとりを行うように構成された加圧用インレットと、膨張性ボディと、膨張性ボディの一部に固定された歪制限層とを有している。ソフトロボットの実際の構造の例は非制限的であり、膨張性ボディは、例えば、流体的に相互接続された複数の膨張性チャンバから作られていてもよい。ここで、加圧用インレットは、当該相互接続された複数の膨張性チャンバに連通するように構成され、または、流体加圧により膨張し且つ／または真空作動により収縮するように構成された１つ以上のエラストマーチャンバを用いて作られている。他の実施形態では、膨張性ボディは、流体加圧により曲げから解放されたり展開したりするように構成された１つ以上の可撓性チャンバまたは伸張性チャンバから作られている。ソフトボディロボティックデバイスは可撓性を有しておらず（またはエラストマーボディと比べて可撓性が小さい）歪制限層をさらに備えており、歪制限層はエラストマーボディに取り付けられている。１つ以上の実施形態では、歪制限層は伸縮性を有しておらず、または、歪制限層は、３５％未満、４０％未満または５０％未満（例えば０〜５０％）の歪みに対応できる。ソフトロボティックデバイス内のエラストマーボディは、１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバが流体により加圧されたときに優先的に膨張して、歪制限層周りで屈曲を生じさせるように構成されていてもよい。他の実施形態では、歪制限層はエラストマーボディの周りにらせん状に巻かれ、捻れアクチュエータを構成する。本発明での利用に適したソフトアクチュエータの非限定的な説明として、国際特許出願（２０１３年２月２８日出願、出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１３／２８２５０、公開番号ＷＯ２０１２／１４８４７２）、国際特許出願（２０１３年１月２２日出願、出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１３／２２５９３、米国仮出願番号６１／８８５０９２（２０１３年１０月１日出願））も参照されたい。これらの文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００９１】
ある実施形態では、ソフトロボットは、１つ以上のセンサまたは撮像領域から得られるデータに少なくとも部分的に基づいてソフトロボットの動作を制御するための制御システムをさらに備えている。
【００９２】
ソフトデバイスの形態のリアルタイム測定を実施するための１つの重要な応用として、デバイスの膨張挙動におけるヒステリシスの補償が挙げられる。例えば、ソフトアクチュエータを所定の圧力Ｙに至るまで膨張させ、続いて新たな圧力ＣＸ（Ｘ＞Ｙ）に至るまで膨張させ、再び、圧力Ｙに至るまで膨張させると、圧力Ｙに至る二回目の膨張の際に、条件に応じて、作動の程度がより大きくなる現象が見られることがある。ヒステリシスの影響が顕著なこのシステムでは、ソフトデバイスの形態を決定するうえで、ソフトデバイスに加えられる圧力を知るだけでは不十分である。こうした例では、圧力から独立したパラメータの測定を助けるセンサまたはマーカ（例えば、歪センサ、磁気マーカ、ＬＥＤマーカなど）のネットワークを用いて、ソフトアクチュエータまたはソフトロボットの形態を決定できる。こうしたセンサのシステムを用いて、ソフトデバイスの過去の膨張履歴とは無関係に、ソフトデバイスについて所望の形態を実現できる。
【００９３】
［体積検出システムと圧力センサ］
幾つかの実施形態では、１つ以上の体積センサ、体積検出システム（例えば、流量センサ）または圧力センサを有する、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータについて説明する。体積検出システム（例えば、流量センサ）または圧力センサはそれぞれ、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータのチャンバ内に埋め込まれていてもよく、それぞれ、チャンバに流入し、またはチャンバから流出する流体の体積またはチャンバ内の圧力を測定するように構成されている。本明細書で説明する限り「体積検出システム」は、一般的に、ソフトアクチュエータのチャンバ内にある流体の体積を決定するように構成された任意のセンサまたはシステムを指す。体積検出システムの具体例は流量センサである。
【００９４】
したがって、幾つかの実施形態では、流量センサは、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータに流入する気流を測定するように構成されている。他の実施形態では、流量センサは、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータから流出する気流を測定するように構成されている。さらに他の実施形態では、１つの流量センサまたは複数の流量センサのそれぞれを用いて、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータに流入する気流と、これらから流出する気流の両方が測定される。他の実施形態では、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータは、プロセッサと制御システムの少なくとも一方を含むソフトロボティックシステムの一部である。プロセッサは、容積測定センサ(volumetric sensor)または圧力センサから読み出されたデータを受信するように構成されている。プロセッサは、読み出しの解釈に基づいて、チャンバに流入する流体の体積を低下させ、または体積をゼロにし、あるいはチャンバ内の圧力を調節するための命令を制御システムに送信してもよい。それゆえ、容積測定センサまたは圧力センサからの読み出しは、ソフトロボットのチャンバの膨張状態を示す機能を有しうる。
【００９５】
ある実施形態では、ソフトロボットは、チャンバに流入する流体の流量、およびチャンバから流出する流体の流量を制御するバルブを１つ以上備えている。幾つかの実施形態では、バルブは、所望の体積および／または圧力を有する流体によりソフトロボットのチャンバが膨張した後に閉じられる。これらの実施形態では、ソフトロボットの経路上に障害物があったとき（例えば、ソフトロボティックグリッパがオブジェクトに衝突したとき）には、ソフトアクチュエータの圧縮に起因して、ソフトロボットのチャンバ内の圧力が上昇または変動することがある。これらの実施形態では、衝突の検出は、衝突時のアクチュエータの圧縮に起因して生じる圧力の上昇または変動を検出する圧力センサを用いて行われてよい。
【００９６】
他の実施形態では、動作中にバルブは開いた状態で保持され、コントローラシステム（例えば、電気的または機械的な空気圧レギュレータ）により、アクチュエータ内の圧力が所望の大きさに維持される。幾つかの実施形態では、ソフトロボットの経路上に障害物があったとき（例えば、ソフトロボティックグリッパがオブジェクトに衝突したとき）には、コントローラシステムは、オブジェクトと衝突した際に、アクチュエータのチャンバへの加圧流体の供給を停止する。この理由は、作動経路が妨げられたアクチュエータに流体を供給し続けた場合、アクチュエータ内の圧力を、コントローラシステムにより維持される設定圧力を超える大きさまで上昇させる必要があるからである。所望の圧力に達した後、コントローラシステムによりバルブが閉じられてよい。
【００９７】
ある実施形態では、流体（例えば空気）が（機械的または電気的な）レギュレータを介してソフトアクチュエータに供給される。これにより、アクチュエータは、その環境との相互作用とは無関係に一定の圧力を維持することができる。これらの実施形態では、アクチュエータ内の空気の体積は、アクチュエータに外力が印加されているか否かに応じて変わることがある。その結果、ある実施形態では、体積検出システムを用いて、アクチュエータに流入する気流とアクチュエータから流出する気流とを測定し、アクチュエータの状態に変化があるか否かを決定できる。例えば、ソフトアクチュエータが膨張してその作動経路が妨げられない場合、ソフトアクチュエータは当該圧力で体積が最大になる（これは、体積検出システムにより測定できる）まで膨張することになる。
【００９８】
（例えば障害物により）アクチュエータに力が加えられた場合、アクチュエータの変形に従って、アクチュエータ内にある空気が幾らか流出する可能性がある。したがって、幾つかの具体的な実施形態では、体積検出システムにより測定されるアクチュエータ内の体積変化を用いて、ソフトロボットとオブジェクトとの衝突が検出／検知される。幾つかの実施形態では、ソフトアクチュエータが膨張しているときに、その作動経路が妨げられる（例えばオブジェクトを把持する）と、オブジェクトに当たった直後に膨張が停止するので、アクチュエータは体積が最大になるまでは膨張しない。さらに別の実施形態では、ソフトグリッパ内のソフトアクチュエータによりオブジェクトが把持されているが、オブジェクトがその把持状態から離脱することがある。オブジェクトがアクチュエータから離脱するとアクチュエータ（例えばグリッパ）は妨害されていないので、アクチュエータは、空気の吸引を開始して体積が最大になるまで膨張できる。
【００９９】
さらに別の実施形態では、流量センサは、把持しているオブジェクトの大きさを決定／推定するように構成されている。ある実施形態では、ソフトロボティックグリッパを用いて、大きさが可変のオブジェクトを把持する。把持するオブジェクトが小さい場合、アクチュエータはより多くの空気を吸引して、グリッパ全体をほぼ閉じる必要がある。オブジェクトが大きい場合、グリッパはオブジェクトを収縮させて把持を行う前に大幅に閉じる必要がないので、供給すべき流体（例えば空気）は少量である。オブジェクトを把持するために必要な流体の量を測定するために、オブジェクトの大きさを推定できる。
【０１００】
さらに別の実施形態では、アクチュエータの膨張プロファイル（例えば、流量センサにより測定される、時間の関数としてのアクチュエータ内の流体の体積変化）を用いて、オブジェクトの追従性を測定してもよい。オブジェクトは、ソフトボディを有することにより、アクチュエータの把持力に容易に追従するものであってもよい。この例では、アクチュエータは、その把持経路がスポンジとの衝突により妨げられるまで、空気を迅速に充填する。その後、アクチュエータは、徐々にスポンジの圧縮を行うので、空気で徐々に充填を開始する。ソフトロボットまたはソフトアクチュエータ内に流入する流体（例えば空気）の流量の変化を測定し、ソフトロボットがいつオブジェクトを把持するかの決定／推定（つまり、圧力および体積の経時的変化の測定）を行ってもよい。オブジェクトが壊れやすいものである場合、ユーザまたは制御システムはグリッパへの空気の供給を停止して、オブジェクトに更なる変形が生じないようにしてもよい。したがって、容積測定センサが提供する情報により、ユーザは、ソフトグリッパが圧縮時にオブジェクトを損傷しないようにすることができる。幾つかの実施形態では、容積測定センサを備えたソフトロボットデバイスは、所定の命令が組み込まれたプロセッサおよび／またはコントローラシステムをさらに備え、当該所定の命令により、制御システムは、チャンバ内の流体の体積がしきい値を超えたことを容積測定センサが検出した場合に修正動作を開始する。他の実施形態では、所定の命令が組み込まれたプロセッサおよび／またはコントローラシステムをさらに備え、当該所定の命令により、制御システムは、アクチュエータに流入し、またはアクチュエータから流出する流体の流量の異常な変化（オブジェクトの衝突に対応する流量の変化）を測定した場合に修正動作を開始する。
【０１０１】
幾つかの実施形態では、ソフトロボティックデバイス（例えばグリッパ）は、異常な圧力または流量の読み出しに応答して、例えば、好ましくない事象に対応する経時的な流量または圧力の応答のパターンを特定し、修正するように構成されている。幾つかの実施形態では、ソフトロボティックデバイス（例えばグリッパ）は、経時的な流量および／または圧力の変化を検出するように構成されたプロセッサおよび／またはコントローラシステムをさらに備えている。ある実施形態では、ソフトロボティックグリッパのアクチュエータ内の圧力はレギュレータにより維持され、プロセッサおよび／またはコントローラシステムは、流量の急な増加または変動、および／または、圧力の急な減少または変動（これは、例えば、グリッパが把持しているオブジェクトを偶然に落としたときに生じる）を検出し、コントローラシステムに命令してグリッパにオブジェクトを再度把持させるように構成されている。他の実施形態では、プロセッサおよび／またはコントローラシステムは、流量の急な減少の後に、流体が前記チャンバ内へ連続的に且つより低速で流入することを特徴する流量プロファイルを検出し、コントローラシステムに命令を出して流体のチャンバ内への更なる流入を停止させるように構成されている。例えば、これは、（流量の急な減少を検出することにより）把持を検出し、把持しているオブジェクトを圧縮した（これは、把持しているターゲットの圧縮が遅くなることに対応して、流量が低下することにより認識される）後に行ってもよい。流量の特徴的なパターンを検出すると、プロセッサまたはコントローラシステムは、アクチュエータのチャンバへの流体（例えば空気）の供給を停止し、把持しているオブジェクトの連続的な圧縮を停止してもよい。
【０１０２】
幾つかの実施形態では、ソフトロボティックデバイス（例えばソフトグリッパ）は、ソフトデバイス／ロボットの状態の推定を行うために用いられる力センサを備えている。本明細書で説明する限り、ソフトアクチュエータがオブジェクトと接触する場合、アクチュエータを膨張させるために用いられる空気の圧力と体積は、アクチュエータの形態を知るために十分な情報ではない。この場合、アクチュエータの表面の上に配置された力センサから出力される読み出しと併せて、アクチュエータを膨張させるために用いられる空気の膨張圧と体積に関するデータを利用し、アクチュエータの形態を決定できる。圧力、気流および力の情報の組み合わせは、ソフトロボティックグリッパを制御するために重要になる。
【０１０３】
［ソフトアクチュエータ用のファイバブラッググレーティングベース光センサ］
一態様では、エラストマーボディであって、当該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）と、当該１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）に供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディと、少なくとも１つのグレーティングベースセンサと、を備えたソフトロボティックデバイスについて説明している。幾つかの実施形態では、グレーティングベースセンサは、物理的信号、化学的信号および／または電気的信号を受信するように構成されている。
【０１０４】
検出は、さまざまな光センサを用いて実施できる。本明細書において、グレーティングベースセンサは、光導波路内にグレーティング状構造を設ける／埋め込むことにより作られるセンサを指す。光導波路は、光の伝搬を誘導する構造（例えばファイバまたはスラブ型光導波路）である。光の誘導が可能になるのは、導波路と周囲との間に屈折率の不整合が存在するため、または、導波路のさまざまな層（例えばコアとクラッド）の間で屈折率の不整合が存在するためである。光導波路は、例えば、平面導波路、リッジ型導波路、円形導波路、チャネル導波路およびフォトニクス結晶ファイバ導波路であってもよい。典型的には、光導波路は、内側のコア（典型的には屈折率がより大きい）と、外側に設けられてコアを囲うクラッドとを有する光ファイバである。グレーティングベースセンサは、コア層および／またはクラッド層内に配置された導波路の構成部品であってよい。
【０１０５】
ある実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、グレーティングベースセンサに動作可能に接続されてグレーティングベースセンサからの読み出しを受信するとともにその読み出しを解釈するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、グレーティングベースセンサにより生成される読み出し、または、プロセッサによるその読み出しの解釈に基づいて、ソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムとを備えている。ある実施形態では、「グレーティングベースセンサ」は光ファイバを指す。他の実施形態では、「グレーティングベースセンサ」は、信号を検知するために必要な一式の部品を備えたシステムであって、１）ファイバ内に供給する光を発生させる光源、２）ファイバブラッググレーティング、３）ファイバから出射する光を測定する分光計、および／または、４）測定されたスペクトルを解釈するための分析ソフトウェアを備えたシステムを指す。したがって、ある実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、グレーティングベースセンサの読出しを読み取るための分光計を備えている。そして、プロセッサは、分光計の出力を解釈してよい。
【０１０６】
幾つかの実施形態では、グレーティングベースセンサは、ファイバブラッググレーティングベース光センサである。１つ以上の実施形態では、ファイバブラッググレーティングは光ファイバに一体化されている。光ファイバは、ガラス、ポリマー、ガラス／ポリマー混合物、任意の光透過材料で作られていてよい。グレーティングベースセンサの非制限的な例は、ファイバブラッググレーティングセンサ、傾斜ファイバブラッググレーティング（ＴＦＢＧ）、センサ、チャープグレーティングセンサ、および、ブラッググレーティングセンサである。
【０１０７】
ファイバブラッググレーティングは、ファイバのコアに刻まれた周期的光学要素である。ファイバブラッググレーティングは、グレーティングの周期に比例する波長の光を後方へ反射させることにより動作する。グレーティングの周期とそのブラッグ波長との関係は以下のように書ける。
λＢ＝２ηｅｆｆΛ  ・・・（１）
ここで、Λはグレーティングの周期であり、λＢは後方反射する光の波長であり、ηｅｆｆは後方反射したコアモードの実効屈折率である（式１）。図１は、ファイバブラッググレーティングの概略図を示す。ＦＢＧの構造は、屈折率またはグレーティングの周期に応じて変化してよい。グレーティングの周期は均一であってもよいし段階的に変化してもよいし、また、グレーティング内で局所化されても分布していてもよい。ファイバブラッググレーティングは、確立された技術を用いて、光ファイバのコア内部に秩序立った（周期的な、または非周期的な）屈折率の変動を「刻む(inscribe)」または「書き込む(write)」ことにより、設けることができる。
【０１０８】
ファイバ内での光の伝搬方向に垂直な方向に対して所定の角度、傾斜させてブラッググレーティングを刻むことにより、傾斜ブラッググレーティング（ＴＦＢＧ）が形成される。後方反射光は幾つかの周波数から構成され、同光は後方反射コアモードと後方伝搬クラッドモード群とを含んでいる。次の関係を用いて、励起モードの波長と実効屈折率を求めることができる。
λｃｌａｄ＝（ηｅｆｆ，ｃｏｒｅ＋ｎｅｆｆ，ｃｌａｄ）Λ／ｃｏｓ（α）  ・・・（２）
ここで、λｃｌａｄは、後方反射したクラッドモードの波長であり、ηｅｆｆ，ｃｏｒｅは、後方反射したクラッドモードの実効屈折率であり、ηｅｆｆ，ｃｌａｄは、後方反射したコアモードの実効屈折率であり、Λはグレーティングの周期であり、αはグレーティングの傾斜角である。図２はＴＦＢＧの概略図を示す。
【０１０９】
ファイバブラッググレーティングを用いて、広範囲のパラメータ（例えば、歪み、屈曲、方向性屈曲、ファイバの３Ｄ状態、振動、圧力、温度、湿度、化学的薬剤または生物学的薬剤の存在および濃度）を検知できる。１つの光ファイバ内に複数のファイバブラッググレーティングを一体化することにより、同じ光導波路内でセンサを多重化し、これにより導波路の長さに沿って関心のあるパラメータの連続的な監視を可能にしてもよい。センサから得られる情報を用いて、ソフトロボティックデバイスの状態に関する情報（ソフトロボティックデバイスに沿って位置する複数のポイントでの、圧力、位置、長さ、曲率、向き、速度、加速度および物理的状態など）を得ることができる。他の実施形態では、グレーティングベースセンサは、ソフトロボティックデバイスの外部環境に関する情報（例えば、ソフトロボティックデバイスの外部環境の温度、湿度、化学的薬剤または生物学的薬剤）を与えるように構成されていてよく、または、グレーティングベースセンサは、ソフトロボットの歪み、力、磁場、流量、屈曲、方向性屈曲、三次元状態、振動、圧力、温度の情報を検出するように構成されている。
【０１１０】
グレーティングベースセンサは、さまざまな方法で、ソフトロボティックデバイスに接続され、連接され（linked）または取り付けられてよい。幾つかの実施形態では、グレーティングベースセンサは、エラストマーボディ内に埋め込まれ、またはエラストマーボディの外側に取り付けられている。他の実施形態では、グレーティングベースセンサはエラストマーボディ内に成形され、またはエラストマーボディ内に一体成型されている。さらに別の実施形態では、グレーティングベース光センサは、エラストマーボディに縫い合わされ、スナップ嵌合し、または、面ファスナを用いてエラストマーボディに固定されている。グレーティングベースセンサは、エラストマーボディに恒久的に取り付けられ、またはエラストマーボディ内に埋め込まれてもよく、またはエラストマーボディから取り外し可能であってもよい。グレーティングベースセンサは、エラストマーボディおよび／またはエラストマーボディのエンドエフェクタの周りにらせん状に巻かれていてもよい。ある実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備えている。また、ソフトロボティックデバイスは、歪制限層内に埋め込まれ、または歪制限層に取り付けられた１つ以上のグレーティングベースセンサを備えている。
【０１１１】
［検出メカニズム］
グレーティングの傾斜により、コアモードを、後方伝搬するコアモードおよびクラッドモードに結合させることができる。ファイバのコア内ではコアモードのみが伝搬可能でありクラッドモードはクラッド内で伝搬するが、これらはファイバの表面に近接している。このことは、さまざまな外部パラメータ（化学変化を含む）に対する感度を説明する。温度が変化するとファイバのコアの寸法が変化するという事実により、グレーティングの温度敏感性を説明できる。その結果、グレーティングの周期は変化することになる。それゆえ、温度を監視するために、ストレートブラッググレーティングと傾斜ブラッググレーティングを利用できる。
【０１１２】
ソフトロボット内に埋め込まれたブラッググレーティングにより、構造検知能力を有するロボットが得られる。傾斜ファイバブラッググレーティングセンサを用いて、振動、歪み、屈曲および方向性屈曲などのパラメータを監視できる。上記複数のパラメータのうち幾つかの変化により、ファイバの形状（ファイバのコア部分やクラッド部分の形状）の変化が生じうる。傾斜ファイバブラッググレーティングにより、後方伝搬する一組のクラッドモードの生成を通じて、構造的な変化についてスペクトル符号化に基づく監視を行うことができる。ＴＦＢＧの伝送スペクトルは、後方反射モードとクラッドモードに対応する複数の深度を有している。各深度は特定の波長と振幅を有する。複数の後方反射モードの位置またはそれらの振幅の監視により、これらの変化（構造の変化を含む）を生成する因子を連続的に追跡できる。
【０１１３】
さらに、傾斜ファイバブラッググレーティングセンサを用いて、幾つかのパラメータ（温度と歪み、または、歪みと振動）間の判別を行うことができる。これらのパラメータ間の判別は、これらのパラメータが後方反射モードに与える影響によって可能になる。例えば、同様に、温度変化が全後方伝搬モードに影響を与える。その結果、温度が変化すると、後方反射モードの波長位置が同じ大きさだけ変化することになる。一方、歪みは、印可された力により伝搬が干渉を受けるモードにのみ、選択的に影響を与える。その結果、歪みが加えられると、少しのクラッドモードだけが変換されることになる。温度と歪みは、選択した共鳴の振幅と波長が互いにどのように相対変化するかを追跡することにより区別できる。
【０１１４】
ファイバの表面近傍でのクラッドモードの伝搬により、クラッドモードの実効屈折率を外部の屈折率に依存させることができる。傾斜ファイバブラッググレーティングセンサは、さまざまな化学的パラメータおよび生物学的パラメータの監視に利用されてよい。ある実施形態では、本明細書で説明しているファイバブラッググレーティングセンサは、湿度センシング、ケミカルセンシング、バイオセンシングおよび細胞センシングに用いられる。ある実施形態では、ケミカルセンシングおよび／またはバイオロジカルセンシングは、ファイバブラッググレーティングセンサをソフトロボットの表面に追加することにより実施される。ある実施形態では、センサはソフトロボットのボディ内に部分的に埋め込まれ、または、接着剤を用いてソフトロボットの表面に対して封止される。これらの実施形態では、接着剤は光導波路の可撓性を制限しないように構成できる。既存の市販のファイバとオーダメイドの導波路の可撓性により、ソフトロボットと組み合わせてセンサを利用できる（センサは屈曲させることができ、かつ、性能を下げることなく形状を変化させることができる）。
【０１１５】
長周期ブラッググレーティングは、周期が１００μｍより大きいブラッググレーティングである。長周期ブラッググレーティングは、傾斜ファイバブラッググレーティングセンサと同様に機能するが、傾斜ファイバブラッググレーティングセンサが前方に伝搬するクラッドモードとコアモードのみを励起できる点で異なる。ある実施形態では、長周期ブラッググレーティングセンサは、化学センシング、湿度センシング、生物学的センシング、圧力センシングおよび屈曲センシングに利用される。長周期ブラッググレーティングは、傾斜ファイバブラッググレーティングセンサと同様に、さまざまな周期を設けることによりスペクトル分割し、さらに、同じ光導波路内で多重化し、ファイバの長さに沿って関心のあるパラメータを連続的に監視してよい。
【０１１６】
ある実施形態では、長周期グレーティングセンサは、接着剤を用いてソフトロボットの表面に設けることにより、または、ソフトロボットのボディに埋め込むことにより、ソフトロボット内に一体化される。これらの方法は、用途に応じて選択される。ある実施形態では、ケミカルセンシングまたはバイオロジカルセンシングのために、センサはロボットの表面の上に配置され、ファイバの表面の一部が環境に露出されて関心のある生物学的薬剤または化学的薬剤と相互作用する。ある実施形態では、ソフトロボット内に埋め込まれたセンサまたはソフトロボットの表面の上に設けられたセンサにより、構造センシングを実施してよい。ある実施形態では、成形プロセス中、固化前のポリマーにセンサを加えることにより、または、ロボットを組み立てるときにソフト層同士の間にセンサを配置することにより、埋め込みを行うことができる。幾つかの実施形態では、ロボットの作動中に大きくは伸縮しない歪制限層にセンサを設けてもよい。ある実施形態では、センサは作動の際に伸縮する通常のソフト層に設けられ、したがって光導波路は、構造全体の伸縮を可能にするように、捻じれ、屈曲し、または空間的な変更を受ける。
【０１１７】
幾つかの実施形態では、アクチュエータを伸張させた際にファイバが広がることができるように、ファイバは蛇行パターンまたはらせんパターンを成すようにエラストマー内に埋め込まれてよい。このようにして、アクチュエータの伸縮領域内にファイバを配置できる。ある実施形態では、ファイバは歪制限層内の直線部分に埋め込まれる。
【０１１８】
図３は、同じファイバのコアに刻まれた、互いに周期が異なる幾つかの傾斜ファイバブラッググレーティングの概略図を示している。
【０１１９】
幾つかの実施形態では、同じ導波路内に刻まれて、関心のあるパラメータ（例えば傾斜や屈曲）を監視することが可能な幾つかのセンサをファイバの長さに沿って配置するために、グレーティングをスペクトル分割する必要がある。これは、各グレーティングの周期を他のグレーティングの周期と異なる値とすることにより達成できる。個々の周期を有するグレーティングを製造し、かつ、それらを互いに接続することにより、ファイバの長さに沿って関心のあるパラメータを監視するために用いることが可能なセンサの分布ネットワークを作ることができる。センサの応答は、グレーティングのスペクトル分割に起因して重なることはない。各センサは、個別のスペクトル幅を有しており、同幅はグレーティングの傾斜により決定できる。
【０１２０】
１つのファイバ片(single piece of fiber)の長さに沿って幾つかのグレーティングを書き込むことにより、または、個々のファイバ片にグレーティングを書き込んだ後、これらのファイバ片を継ぎ合わせることにより、互いに異なる周期を有する幾つかのグレーティングを同じファイバ内で接続できる。
【０１２１】
チャープグレーティングまたは非周期的ファイバグレーティングは、グレーティングの長さに沿って周期が変化するグレーティングである。
【０１２２】
分布した構造体のセンシングまたは分布した化学物質のセンシングを実施するため、非チャープグレーティングを多重化する代わりに、チャープグレーティングを用いることができる。
【０１２３】
図４Ｂは、長さＬのストレートチャープブラッググレーティングを示している。グレーティングの周期は、Λ１からΛｎに上昇する。グレーティングの長さに沿って変化する周期により、空間的にエンコードされたスペクトル応答が生成される。特に、こうしたグレーティングの応答により共鳴が生じ、当該共鳴は、特定の周期を有するグレーティングの特定の部分により生成される。後方反射した共鳴波長は、グレーティングの局所的な周期により影響を受けることになる。これらの共鳴を用いて、グレーティングの長さに沿って生じる構造的変化および化学的変化を追跡できる。
【０１２４】
具体的に言うと、光ファイバにグレーティングが設けられている場合、そのグレーティングにより、グレーティングの周期および実効屈折率に応じた特定の光の後方反射（つまり、後方への鏡面反射）が生じる。多重化されたグレーティングの場合、それぞれ周期が異なる２つ以上のグレーティング領域をファイバ内に設け、ファイバを通じて多重波長の光が送信された場合には、個々の波長の光が適当な周期のグレーティングに当たって後方反射されるようにすると考えられる。例えば、ファイバを通じて波長λＢＸの光と波長λＢＹの光が送信される場合、波長λＢＸの光は周期Λ＝λＢＸ／２ηｅｆｆのグレーティングに当たったときに後方反射され、波長λＢＹの光は周期Λ＝λＢＹ／２ηｅｆｆのグレーティングに当たったときに後方反射される。したがって、これら２つの別個のグレーティングがファイバの長さに沿って異なる位置に設けられている場合、グレーティングベースセンサを用いてこれら２つの別の位置での情報を得ることができる。
【０１２５】
別個のグレーティングを用いる場合、情報収集するすべてのポイントで、ファイバ内に固有の周期を有するグレーティングを書き込み、または継ぎ合わせる必要がある。ある実施形態では、チャープグレーティングを用いてこの問題を解決する。チャープグレーティングでは、グレーティングの周期が、長さに沿って徐々に変化する。その結果、後方反射する波長は、長さに沿って徐々に変化する。これは、チャープグレーティングにより、グレーティングに沿ったどのポイントにおいても、空間分解された情報を得られることを意味している。
【０１２６】
幾つかの実施形態では、各後方反射により、ファイバ内で後方反射が生じたポイントにおいて、グレーティングの局所的環境およびグレーティングの状態についての情報が与えられる。この理由は、ファイバのコア、そのクラッドに対する外乱、または周囲環境の屈折率に対する外乱により、グレーティングの挙動が変化し、これにより後方反射光の特性が変化しうるからである。例えば、グレーティングが加熱されて膨張すると、その周期が変化し、後方反射する光の波長が変化する。あるいは、グレーティングが屈曲すると、その周期が変化し、後方反射する光の波長が変化する。
【０１２７】
幾つかの実施形態では、チャープグレーティングをソフトロボットの表面に追加する（接着剤を用いて封止する）ことにより、または、チャープグレーティングをソフトロボット内に埋め込むことにより、チャープグレーティングをソフトロボット内に一体化してもよい。チャープグレーティングの埋め込みは、成形段階において実施してもよいし、成形段階の後、ソフトロボットの幾つかの層を組み立てるときに実施してもよい。あるいは、チャープグレーティングは、アクチュエータの周りに巻かれた布地（テクスタイル）に一体化され、または当該布地に追加されてもよい。
【０１２８】
図４Ｃは、触手の表面に追加されたチャープグレーティング４０５を有するソフト触手を示している。他の実施形態では、グレーティングベースセンサはアクチュエータのコア内に配置されてもよい。グレーティングの周期は、グレーティングの長さ（Ｌ）に沿ってΛ１からΛｎまで変化する。こうしたグレーティングは、その各部分で後方反射モードを生成することにより、グレーティングの長さに沿って生じる構造的変化または化学的変化を検出できる。後方反射したモードの波長位置または振幅を追跡することにより、モード伝搬に影響を与える要素を監視できる。
【０１２９】
グレーティングベースセンサは、同じ種類または複数種類のセンサのうち１つ以上と協働して用いられてよい。ある実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備え、ソフトロボティックデバイスは、歪制限層内に埋め込まれ、または歪制限層に取り付けられた１つ以上のセンサ（例えば、グレーティングベースセンサ）と、エラストマーボディ内に埋め込まれ、またはエラストマーボディに取り付けられた１つ以上のセンサ（例えば、グレーティングベースセンサ）とを備えている。ある具体的な実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、それぞれグレーティングベースセンサ、サーマルセンサ、ケミカルセンサ、生物学的検体センサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機および電流センサから成る群から選択される１つ以上の追加のセンサをさらに備えている。
【０１３０】
幾つかの実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、グレーティングベースセンサに動作可能に接続されてグレーティングベースセンサからの読み出しを受信するとともにその読み出しを解釈するように構成されたプロセッサと、グレーティングベースセンサにより生成される読み出し、および／または、プロセッサによるその読み出しの解釈に基づいて、ソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムと、をさらに備えている。したがって、制御システムは、グレーティングベースセンサなどのセンサの読み出しに基づいて、特定の動作（例えば、入口（インレット）での流体の圧力／流量を減少／増加させる、障害物との接触を避ける、化学的信号源、生物学的信号源または物理的信号源に近づく／から離れる方向に移動させる）を行うようにロボットに命令を出す。
【０１３１】
幾つかの実施形態では、状態フィードバックは以下を含んでいてもよい。
【０１３２】
１）アクチュエータの屈曲に関する情報
これは、例えば、屈曲アクチュエータがオブジェクトに接触する場合に関係する。この場合、オブジェクトがアクチュエータの動きを妨げるので、アクチュエータの屈曲の度合いを知る上で、アクチュエータの膨張圧を知るだけでは不十分である。その結果、中央制御コンピュータは、ソフトロボットの動きをどのように誘導するかについての情報を得るための入力として、圧力データだけでなく、屈曲データを必要とするだろう。このフィードバックループは、さまざまな形状のオブジェクトを把持するときにフィンガがどのように屈曲するかを知ることが必要となるソフトグリッパにおいて有用であろう。この状況では、制御用コンピュータは、圧力が上昇しているのに屈曲の程度が増加しないポイントを検知することにより、フィンガがオブジェクトにいつ触れたかの情報を得る。コンピュータは、このポイントを検知すると、フィンガの膨張を停止させてフィンガが把持しているオブジェクトを慎重に抱えるようにしてもよいし、フィンガの膨張を続けてフィンガが把持しているオブジェクトの表面に力を加えるようにしてもよい。
【０１３３】
２）アクチュエータの温度または周囲環境の温度に関する情報
温度変化により、ソフトアクチュエータを構成するエラストマーの剛性が変化する。その結果、作動圧が一定であるとすると、アクチュエータの作動の度合いは温度に応じて変化することになる。センシングフィードバックループの一部としてアクチュエータの温度データを用いることにより、制御コンピュータは、この影響を補償して、温度とは無関係に、アクチュエータを所望の程度、作動させることができる。これは、高温環境内を進んでいく必要がある火災レスキューロボットに関連する。高温環境では、ゲートを制御するパラメータが温度に応じて常に変化する。幾つかの実施形態では、アクチュエータの温度のセンシングは、アクチュエータ上でＴＦＢＧまたは熱電対を利用することにより、または、所定のデバイス（例えば赤外線温度計またはサーモスタットなど）を用いてアクチュエータの温度の遠隔測定により行ってもよい。
【０１３４】
３）特定の化学的薬剤および生物学的薬剤の存在に関する情報
これは、化学物質の流出を探査するソフトロボットに関連する可能性がある。例えば、シリコーンベースのロボットが、ロボットに損傷を与えるような化学物質（例えば、ヘキサン、ジオキサン、ジクロロメタン）の中を脚が進んでいることを検知した場合、この情報は制御用コンピュータに送信され、当該ポイントから安全な位置にロボットを誘導するように制御用コンピュータが動作するようにしてもよい。
【０１３５】
４）ソフトグリッパの制御には圧力センシングが有用であること
例えば、グリッパに設けられた複数のフィンガのうち１つが破裂した場合、圧力センサはこの情報をコントローラに送信してもよい。圧力センサがこの情報をコントローラに送信すると、コントローラは残りのフィンガを用いて修正動作を開始し、把持されるオブジェクトが落ちて壊れ、人の上に落ち、またはこれらの両方が起こらないようにする。この例では、圧力センサはさまざまな場所に配置されてよい。例えば、センサは、ブラッググレーティングセンサ、または（気圧センサチップのような）既在の圧力センサを用いてアクチュエータ内に配置されてよい。あるいは、センサは、ロープを介してロボットに圧力を供給するボックス内に配置されてもよい。
【０１３６】
５）ソフトグリッパの制御には流量センサが有用であること
例えば、グリッパが有する複数のフィンガのうち１つが破裂した場合、圧力センサはこの情報をコントローラに送信してもよい。圧力センサがこの情報をコントローラに送信すると、コントローラは残りのフィンガを用いて修正動作を開始し、把持されるオブジェクトが落ちて壊れ、人の上に落ち、またはこれらの両方が起こらないようにする。流量センサはさまざまな場所に配置されてよい。例えば、グリッパが完全に作動したときに静止圧まで膨張すると、グリッパへ流入する気流が停止する。グリッパが有する複数のフィンガのうち１つが破裂すると、グリッパ内の静止圧の維持を担う電気的空気圧トランスデューサが、フィンガへの空気の供給を開始して、フィンガの破裂に起因するフィンガ内の圧力低下を補償する。その結果、フィンガの破裂は気流の異常として測定されてよい。この時点で、グリッパは修正動作を開始してよい。この流量センサは、グリッパを制御する空気圧制御ボックス内に配置されてよいが、アクチュエータのボディ内に組み込まれてもよい。したがって、幾つかの実施形態では、アクチュエータの制御インプットとして用いられる加圧流体の動作流量または動作圧の変化を監視するための流量センサが埋め込まれ、流体の流れの変化に応じて動作が修正されるように構成されたソフトアクチュエータについて説明している。
【０１３７】
［ソフトロボットへのグレーティングベースセンサの一体化］
センサはソフトロボットに追加されてよい。
１）コアにグレーティングが刻まれた市販の光ファイバ５０１（例えばＳＭＦ−２８）をソフトアクチュエータまたはソフトロボット（図５）に取り付ける。
２）グレーティングが埋め込まれたポリマーベースのカスタム光導波路を製造する。光導波路は、後段で、ソフトアクチュエータまたはソフトロボットの表面に追加し、または、ソフトアクチュエータまたはソフトロボットのボディ内に組み込む。
光センサは、ソフトロボットとセンサの可撓性を制限しない任意の接着剤を用いてソフトロボットの表面に取り付けてよい。ロボット内にセンサを組み込む必要がある場合、ロボットのソフトボディが設けられる層同士の間にセンサを追加してよい。幾つかの実施形態では、センサは、成形プロセス中にロボット内に埋め込まれてもよい。
【０１３８】
図４Ａは、光導波路が内部に埋め込まれたソフト触手４０１の概略図を示す。これらの実施形態では、複数のセンサＳ１，Ｓ２，…Ｓｎがソフト触手内に埋め込まれている。導波路はＮ個のＴＦＢＧセンサを有し、これらは空間的にかつスペクトル的に分割され、導波路の長さＬ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋…＋Ｌｎにわたって関心のあるパラメータを監視する機会を与える。ファイバは伸縮性を有していないので、歪制限層内に組み込まれてもよい。これは多くの方法を用いて実施できる。その非制限的な例を以下に示している。
【０１３９】
１）３つのチャンバを有する触手の場合、ファイバは、中央の歪制限コア内に成形されてよい。
【０１４０】
２）他の実施形態では、ファイバが歪制限層であるアクチュエータを製造できる。膨張性エラストマー構造体の壁内にファイバを成形した場合、当該構造体は非伸張性ファイバの方向に屈曲することになる。このアプローチを用いて、複雑な動きを作ることができる。例えば、ファイバをエラストマーチューブの壁内に成形し、膨張の際にはファイバがチューブの壁に巻きつき、らせんを形成するようにした場合、チューブは伸張して捻れるだろう。
【０１４１】
３）さらに別の実施形態では、ソフトアクチュエータの歪制限層内に中空のチャネルを成形し、成形後にチャネル内にファイバを挿入できるようにしてもよい。次に、接着剤または追加のエラストマーでチャネルを充填することにより、ファイバを所定の位置に固定してもよい。あるいは、接着剤または追加のエラストマーを用いず、ファイバがチャネル内で自立した状態になるようにしてもよい。ファイバの両端がチャネルの両端に取り付けられたらせん状または蛇行形状のファイバを用い、アクチュエータが屈曲し、捻じれまたは伸張する際にファイバが長くなるようにしてもよい。
【０１４２】
４）ファイバは、接着剤、縫製、または編込みにより布地（ファブリック）に取り付けられてもよく、その後、当該布地はアクチュエータの上に配置されて歪制限層として機能させてもよい。例えば、ソフトアクチュエータ用の歪制限層として単純な布地（テクスタイル）を用いてもよい。
【０１４３】
幾つかの実施形態では、ファイバを追加するための別のアプローチであって、ファイバが非伸張性である弊害をさけるアプローチとして、ファイバを膨張チャンバの中空部（図４Ａに示す空洞部４０３）内に配置する。ファイバは膨張チャンバ内で自立し、またはファイバの両端部は膨張チャンバの壁に固定されうる。この例では、らせん形状または蛇行形状を有するファイバを用いて、膨張チャンバが屈曲し、捻れまたは伸張したときにファイバが伸びることができるようにしている。
【０１４４】
ある実施形態では、センサがアクチュエータの屈曲状態を測定する場合、当該センサはアクチュエータ内に配置されてもよいし、外側に配置されてもよい。幾つかの実施形態では、センサが化学的材料または生物学的材料を検知する場合、１）アクチュエータの外側にセンサを配置してセンサが外部環境と接触できるようにし、または、２）アクチュエータ内に設けられてサンプルの収集に用いられる中空チューブ内にセンサを配置し、サンプルがセンサを通って流れるようにする必要があるだろう。幾つかの実施形態では、ファイバがアクチュエータの膨張圧を測定する場合、センサは膨張チャンバの内壁に固定され、またはチャンバ内で自立している。幾つかの実施形態では、ファイバを用いて、温度に応じたアクチュエータの剛性の変化を補償するためにアクチュエータの温度を測定する場合、センサはアクチュエータにわたる複数のポイントに配置され、または埋め込まれてよい。なぜなら、シリコーンエラストマーとポリウレタンエラストマー内で熱の伝達に長い時間がかかるので、デバイス内での温度勾配を測定できるからである。これは、１つのポイントで１か所の温度を測定した場合にはできない。幾つかの実施形態では、温度センサを用いて外部環境の温度を検知する場合、例えばロボットが火の中を進まないようにするために、アクチュエータの外側にセンサを配置して、センサの応答時間が短くなるようにしてもよい。
【０１４５】
導波路は、互いに空間的に且つスペクトル的に分割されたＮ個のＴＦＢＧセンサを有し、これらは導波路の長さ（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋…＋Ｌｎ）にわたって関心のあるパラメータを監視する機会を与える。関心のあるパラメータの全体的な変化は、センサ応答の総和として見られる。こうした構成により、測定したパラメータの空間位置をスペクトル的に符号化してセンサ応答とすることができるので、当該空間位置を検出できる。
【０１４６】
図５は、触手アーム５００内に組み込まれたグレーティングベースセンサ５０１を示しており、センサ５０１は、アーム形状およびエンドエフェクタ形状の状態フィードバックを与えることができる。センサは、接着剤を用いて触手アームの表面に固定されていてもよいし、触手アームのボディ内に埋め込まれていてもよい。これは、成形プロセス中にセンサを触手内に挿入することにより行ってもよいし、成形後に層の間にセンサを埋め込むことにより行ってもよい。センサのソフトロボットロボットへの追加は、作動したときに伸張しない歪制限層にセンサを一体化することにより行うべきである。作動させると膨張するソフト層にセンサを追加する場合、らせんパターン、屈曲パターン、または、空間的に変更されたパターンであって一体化された構造体全体の膨張／伸縮を可能にする他のパターンに導波路を配置するべきである。さらに、グリッパ／マニピュレータ５０５のクランプ力により生じるセンサの変形、または、環境におけるオブジェクト５０３との衝突を検出してもよい。
【０１４７】
図６Ａは、他の実施形態に係るグレーティングベースセンサ６０１を示しており、センサ６０１はソフトデバイス６００の周りにらせん状に巻かれている。この構成の利点は、センサによるデバイスの動作範囲の妨害を最小限に抑えることができ、移動するパーツが存在せず、ソフトデバイスの検知範囲が大きくなり、デバイスの長さが伸びたり縮んだりすることである。
【０１４８】
図６Ｂは、グレーティングベースセンサ６０１により測定されたソフトデバイスの状態の３Ｄマップを示す。この情報をコントローラに送信し、ソフトデバイスをプログラムして、タスクを実行させ、当該ソフトデバイスがその環境とどのように相互作用するかについてのデータを収集させてもよい。例えば、予期しないポイントでらせんが変形した場合、オブジェクトと衝突したことを示唆している可能性がある。
【０１４９】
幾つかの実施形態では、このセンサおよび他のセンサ（例えば、衝突センサ、圧力センサ）からの出力を力覚デバイスに送信して、デバイスに作用する力の位置と強度をオペレータに物理的に知らせてもよいことに留意すべきである。例えば、オペレータは、ソフトロボティックデバイスが力覚グローブの状態を模擬する、センサ化された力覚グローブを身に着けてもよい。オペレータがソフトロボティックデバイスを介してオブジェクトを握った場合、ソフトロボティックデバイス内に設けられた接触センサ／圧力センサは、身に付けられたグローブ内の関連する力覚アクチュエータを駆動する。これを利用して、把持の質、またはソフトデバイスがオブジェクトを収縮させた時点を、オペレータに物理的に知らせてもよい。
【０１５０】
［ソフトロボティック人工装具システム］
他の態様では、ソフトロボティック人工装具(prosthetic)システムについて説明する。このシステムは、ユーザの１つ以上の筋肉または身体部分の動きをアシスト（または支援）するように構成され、かつ、ソフトロボットを備えている。ソフトロボットは、エラストマーボディであって、当該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）と、当該１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）に供給され、ソフトロボットを作動させための流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディを備えている。このシステムは、さらに、物理的信号、化学的信号、磁気的信号または電気的信号を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと、センサに動作接続され、センサから出力される読み出しを受信するとともにその読み出しを解釈するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、１つ以上のセンサにより生成される読み出し、またはプロセッサによるその読み出しの解釈に基づいて、ユーザの１つ以上の筋肉または身体の一部の動きをアシストするようにソフトロボットを作動させる制御システムとを備えている。
【０１５１】
本明細書では、人工装具または人工装具デバイスは、身体の欠けた部分の代わりになり、または不完全な部分を補い、または、大まかに言って、ユーザの身体の１つ以上の部分または筋肉の機能／動きを向上させる装置（身体の外側にあっても埋め込まれていてもよい）を指す。ユーザの非制限的な例は、人、動物である。幾つかの実施形態では、ソフトロボティック人工装具システムは、ユーザの身体に取り付けられ（または連接され）、ユーザの身体の一部または筋肉の動きをアシストし、または向上させるように構成されている。センサは、ソフトロボットの外側にあっても内側にあってもよい（例えば、ソフトボディまたは歪制限層に取り付けられてもよく、または、これらの中に埋め込まれていてもよい）。ある実施形態では、本明細書で説明しているソフトロボットは、身体の揺れを抑えるように構成されたウェアラブルソフトロボットである。ある実施形態では、センサは、揺れに関連する筋肉または神経の活動を測定するように構成され、制御システムは、これに応答してソフトロボットを作動させ、揺れを抑えるように構成されている。
【０１５２】
幾つかの実施形態では、人間または動物のための人工装具として機能するようにソフトロボティック人工装具システムを用い、物理的コミュニケーション、オブジェクトの操作および自己安定化などの多くの重要なタスクを実行する。これらのタスクを実行するため、ソフトアクチュエータは、ユーザ、環境またはその両方からの信号を必要とする。環境からの信号は、本明細書で説明している１つ以上のセンサを介して得ることができる。ユーザからの信号は、さまざまなソース（源）から生じるものであってよい。大まかに言って、当該ソースは、ｉ）電源、ｉｉ）磁気源、ｉｉｉ）光源、ｉｖ）熱源、ｖ）音源(audible source)、ｖｉ）化学物質源(chemical source)、ｖｉｉ）機械的源（力学的源: mechanical source）に分類できるが、これに限定されない。磁気的な信号の非制限的な例は、脳磁図（ＭＥＧ）を用いた脳スキャンから得られる信号である。
【０１５３】
図７Ａ、図７Ｂは、コントローラシステム（例えば空気圧コントローラ７０３、水圧システムまたは真空システムを用いてもよい）により制御されるソフトアクチュエータ７０１を備えたソフトロボティックシステムを示している。空気圧コントローラ７０３は、選択的に、ソフトアクチュエータを膨張させるか収縮させるかについての命令を出すマイクロプロセッサ７０７に接続されている。マイクロプロセッサ７０７は、外部センサ７０７から到来する信号を用いて空気圧コントローラの状態を決定する。外部センサは、人または動物の体により生じる任意の識別信号により駆動してもよい。送信される信号は、有線で、または任意の無線手段により送信されてよい。図７Ａ、図７Ｂは、それぞれ、アクチュエータの非作動状態（７０１）と作動状態（７０１’）を示している。
【０１５４】
ある実施形態では、上述のとおりユーザから得られる６種類の信号を、以下の３つの方法で制御できる。つまり、ｉ）体の動きによって（図８Ａ）、ｉｉ）筋肉の興奮によって（図８Ｂ）、ｉｉｉ）神経の興奮によって（図８Ｃ）である。図８Ａに示すように、これは、アームの長さ方向に延びてアームの動きを示す歪センサ８０１または歪センサシステムであってよい。ここでは、センサのみを示している。幾つかの実施形態では、ソフトアクチュエータも同様に、アームの長さに沿って延びており、歪センサはアクチュエータの歪制限層の上に配置されている。この例では、歪センサは、アームの最初の動作を測定すると、コントローラ８０２に信号を送信する。信号を受信したコントローラ８０２は、アームに取り付けられたソフトアクチュエータの膨張を開始し、これにより屈曲状態にあるアームをアシストする。
【０１５５】
図８Ｂに示すように、ある実施形態では、センサ８０３は腕の筋肉群内での電気信号を測定する。ここでは、図８Ａと同様に、単純化のため、図面にはセンサのみを示している。幾つかの実施形態では、本明細書で説明しているソフトアクチュエータは、その歪制限層に設けられて電気的センサと一緒に腕に取り付けられており、電気的センサは腕の表面に接触している。これらのセンサが腕の筋肉の電気的活動を測定する場合、コントローラ８０４がソフトアクチュエータの加圧を開始し、これにより腕が屈曲してユーザの動きが支アシストされる。
【０１５６】
図８Ｃに示すように、センサ８０５は、ユーザの頭の表面、または、脳の表面に取り付けられ、運動皮質での神経の活動を測定する。幾つかの実施形態では、センサは、ユーザが腕を動かそうとする意志に関連して、大脳皮質中の神経活動を測定するように構成されている。このセンサの読み出しに基づいて、コントローラ８０６は、腕の上でソフトアクチュエータを加圧し、これにより腕が動くようにアシストすることができる。
【０１５７】
光学的に仲介される信号は、無線伝送の他の形態である。例えば、可視光または紫外光を発するＬＥＤをユーザの体に配置してもよい。ユーザが動くと、ロボット上のセンサ、または外部に設けられた視覚認識装置が、ユーザの動きの変化を追跡するとともに、これに従ってソフトアクチュエータの状態を変化させることができる。あるいは、外部光源からの反射光をハブにより処理してもよい。これは、例えばゲームシステム（例えばＸｂｏｘ Ｋｉｎｅｃｔ）により行ってもよい。
【０１５８】
［撮像領域を有するソフトロボティックデバイス］
さらに別の態様では、エラストマーボディであって、当該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）と、当該１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）に供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するエラストマーボディと、ソフトロボティックデバイスにおける他の領域とは異なる視覚信号を与えるように構成され、かつ、ソフトロボティックデバイスの状態に関する情報を与えるように構成された１つ以上の撮像領域と、を備えたソフトロボティックデバイスについて説明している。
【０１５９】
幾つかの実施形態では、複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、エラストマーボディの表面の上に配置され、または、エラストマーボディ内に埋め込まれている。他の実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、エラストマーボディの一方の面に沿って配置された歪制限層をさらに備え、複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、歪制限層の表面の上に配置され、または、歪制限層内に埋め込まれている。さらに別の実施形態では、エラストマーボディの表面の上に配置され、または、エラストマーボディ内に埋め込まれた１つ以上の撮像領域と、歪制限層の表面の上に配置され、または、歪制限層内に埋め込まれた１つ以上の撮像領域と、を有していてもよい。
【０１６０】
幾つかの実施形態では、撮像領域は、着色領域（例えば着色マーク）であって、ソフトロボティックデバイスにおける他の領域とは色が異なる。この色は、裸眼で認識可能なものであってもよく、着色領域を追跡および／または検出するように構成されたモーション検出システムにより認識可能なものであってもよい。
【０１６１】
したがって、幾つかの実施形態では、１つ以上の着色マークをソフトロボティックデバイスの表面（例えば、エラストマーボディの表面）に付して、コンピュータビジョンシステムによりモーショントラッキングを支援する。任意の色のマークを利用してよい。これらのマークは、ソフトロボットのボディに沿った複数の参照ポイントを与える。これら複数の参照ポイントは、ソフトロボットの状態を決定するための視覚システムにより区別できる。ソフトロボットの表面は作動中に歪むので、これらのトラッキングカラーマークの形状、面積および色強度が変化する。その結果、これらのマークを用いて、アクチュエータに沿った複数のポイントで、位置、速度、加速度、向き、運動量などを決定できるだけでなく、当該形状、面積および色強度の変化を分析することにより、これらのポイントでの応力の状態、歪みの状態および／または形態を決定できる。
【０１６２】
他の実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備え、複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、歪制限層の表面の上に配置され、または歪制限層内に埋め込まれている。ある具体的な実施形態では、複数の撮像領域のうち少なくとも１つは、ソフトロボティックデバイスにおける他の領域とは色が異なる着色領域であり、ソフトロボティックデバイスは、その着色領域を追跡および／または検出するように構成されたモーション検出システムをさらに備えている。したがって、これらの実施形態では、歪制限層が実質的に変形しないので、着色領域の形状、面積および色強度は実質的に変化せず、着色領域を位置インジケータとして利用できる。この構成により、モーションキャプチャシステムにより撮影される画像の解釈が単純化され、コンピュータによる計算の複雑さが低下する。
【０１６３】
図９に示すように、幾つかの撮像領域（例えば着色マーク９０９）が、ソフトアクチュエータ９０１の膨張式空気圧層９０３の表面の上に設けられている。ソフトアクチュエータ９０１は、膨張式空気圧層９０３、膨張ライン９０７、および、膨張式空気圧層９０３に接触し、またはこれに取り付けられた歪制限層９０５を備えている（図９の上部分はソフトアクチュエータの非膨張状態を示している）。膨張の間（図９の下側部分）、歪制限層は屈曲し（９０５’）、膨張式空気圧層は膨張し（９０３’）、トラッキングマークの面積（９０９’）は増加し、トラッキングマークの形状は変化し、色濃度は低下する。こうした情報は、分析のために撮像装置により取得されてよい。撮像装置は、例えば、非膨張段階でのトラッキングマークの色濃度を膨張段階でのものと比較する。色濃度の低下は、ソフトロボットが歪んだ状態または作動状態にあることを示している。同様に、撮像装置は、非膨張段階でのトラッキングマークの面積を膨張段階でのものと比較してよい。面積の増加は、ソフトロボットが歪んでいること、または作動状態にあることを示している。
【０１６４】
従来のロボット研究家が動的トラッキングマーク(kinematic tracking mark)を用いる主な理由の１つは、コンピュータビジョンシステムを用いたこれらのマークの特定が、ロボットのボディをコンピュータに視覚的に認識させるよりも容易だからである。ソフトロボットの動きを追跡するこのアプローチの利用は難しいことがある。なぜなら、ハードロボット上の着色マークと異なり、ソフトロボット上のマークはソフトロボットの作動中に形状、面積および色強度が変化するからである。ある実施形態では、撮像領域、動的トラッキングマークは、ソフトアクチュエータの歪制限層内に設けられている。歪制限層はソフトアクチュエータにおいて生じる歪が最も小さい部分であるので、ソフトアクチュエータの作動中に形状、面積および色強度が変化する程度は、歪制限層の上に設けられた動的トラッキングマークにおいて最も小さくなる。これにより、コンピュータビジョンシステムを用いたこれらのマークの認識および分析プロセスが単純になる。
【０１６５】
これらの実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０では、幾つかの撮像領域（例えば着色マーク１００９）がソフトアクチュエータ１００１の歪制限層１００５の表面の上に設けられている。ソフトアクチュエータ１００１は、膨張式空気圧層１００３、膨張ライン１００７、および、膨張式空気圧層１００３に接触し、または膨張式空気圧層１００３に取り付けられている歪制限層１００５を備えている（図１０の上部には、非膨張状態のソフトロボットが示されている）。膨張の間、ソフトアクチュエータが作動し（１００１’を参照）、膨張式空気圧層が膨張し（１００３’を参照）、歪制限層が屈曲し（１００５’を参照）、トラッキングマーク（１００９’）の相対位置が変化するが、トラッキングマークの面積と色濃度は変化しないままであり、変化量は最小限に抑えられる（例えば、変化量は約１０％未満、約８％未満、約５％未満、約４％未満、約２％未満または約１％未満の値であり、または、当該変化は、本明細書で開示しているいずれかの割合により制限される範囲内の値である）。こうした情報は、分析のために撮像装置により捕捉されてよい。撮像装置は、非膨張段階でのトラッキングマークの位置を膨張段階でのものと比較してよい。相対変化の位置の変化は、ソフトロボットが歪み状態または作動状態にあることを示している。
【０１６６】
さらに別の実施形態では、撮像領域は、ソフトアクチュエータの表面内に埋め込まれ、またはソフトアクチュエータに取り付けられたマークであり、放射線造影剤（例えば、撮像装置（例えば医療用撮像装置）を介して認識可能な化学物質）の布片(patch)で構成されている。ある実施形態では、イメージングシステムは、ＰＥＴスキャンイメージングシステムである。医療分野の撮影において、既知の任意の化学物質を用いることができる。ある実施形態では、当該化学物質は硫酸バリウムなどのバリウム塩である。幾つかの実施形態では、ソフトロボティックメディカルデバイスは、放射線造影剤（例えばロボットのボディ内の歪み部分に設けられた放射線造影剤（例えば硫酸バリウム）の布片を含んでいてもよい。これは、Ｘ線イメージングシステム（例えばＣＴ（Ｘ線コンピュータトモグラフィ）イメージングシステム）またはフルオロスコープイメージングシステムを用いて、アクチュエータに沿った複数のポイントで、位置、速度、加速度、向き、運動量および歪み／形態を決定するためのものである。他の実施形態では、放射線造影剤はＭＲＩ用造影剤を含み、撮像装置はＭＲＩを含んでいる。ある実施形態では、アクチュエータ内にある空洞またはポケット内に純粋な放射線造影剤を配置してもよく、放射線造影剤は、アクチュエータを作るのに用いるエラストマー内に混合されていてもよい。ある実施形態では、ユーザからは見えない位置で、放射線造影剤のパッチを含むソフトロボットを用いてもよい。例えば、腹腔鏡手術または結腸内視鏡検査中に腹部でソフトロボティック触手を用いることができる。
【０１６７】
幾つかの実施形態では、ソフトロボティックデバイスは、それぞれ独立して、グレーティングベースセンサ、サーマルセンサ、ケミカルセンサ、生物学的検体センサ、音響センサ、光センサ、放射線センサ、サーマルセンサ、歪センサ、ケミカルセンサ、バイオロジカルセンサ、神経センサ、圧力センサ、気圧センサ、真空センサ、高度計、導電率センサ、インピーダンスセンサ、慣性計測装置、力感知抵抗器、レーザ距離計、音響距離計、磁力計、ホール効果センサ、磁気ダイオード、磁気トランジスタ、メムス（ＭＥＭＳ）磁界センサ、マイクロフォン、光検出素子、加速度計、ジャイロセンサ、流量センサ、湿度センサ、化学レジスタ、揮発性有機化合物センサ、重金属センサ、ｐＨセンサ、堆積センサ、心臓アブレーションセンサ、筋電センサ、電子鼻、ガスセンサ、酸素センサ、窒素センサ、天然ガスセンサ、ＶＸガスセンサ、サリンガスセンサ、マスタードガスセンサ、爆発物検知器、金属探知機および電流センサから成る群から選択される１つ以上の追加のセンサをさらに備えている。
【０１６８】
他の幾つかの実施形態では、ソフトロボットは、撮像領域を検出するように構成されたモーショントラッキングシステム、および、撮像領域を検出するように構成された撮像装置のうち少なくとも一方と、モーショントラッキングシステムまたは撮像装置により生成される読み出しに基づいてソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムと、を備えている。
【０１６９】
［分布したセンサネットワークを有するソフトロボティックシステム］
更なる態様では、エラストマーボディを有するソフトロボットであって、エラストマーボディは、当該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバと、１つのチャンバまたは互いに相互接続された複数のチャンバに供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有する、ソフトロボットと、信号を検知するためのセンサネットワークと、センサネットワークに動作可能に接続され、センサの読み出しに基づいて、信号の位置、勾配および／または存在を決定するように構成されたプロセッサと、を備えたソフトロボティックシステムについて説明している。
【０１７０】
幾つかの実施形態では、ソフトロボティックシステム内のプロセッサは、信号の位置を計算するための好適なアルゴリズムを含んでいてよい。幾つかの実施形態では、ソフトロボティックシステムは、１つ以上のセンサにより生成される読み出し、またはその読み出しのプロセッサによる解釈に基づいて、ソフトロボットの動きを制御するように構成された制御システムをさらに含んでいる。制御システムは、ソフトロボットを制御し、信号の位置に向かわせ、または信号の位置から離れさせるように構成されていてよい。
【０１７１】
幾つかの実施形態では、ソフトロボティックシステムは、エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層を備えており、複数のセンサのうち少なくとも１つは、歪制限層の表面の上に設けられ、または歪制限層内に埋め込まれている。他の実施形態では、複数のセンサのうち少なくとも１つは、エラストマーボディの表面の上に設けられ、またはエラストマーボディ内に埋め込まれている。
【０１７２】
幾つかの実施形態では、検出される信号の例は、これに限定されないが、光、音、熱、放射性物質、化学物質、生物学的製剤、電場および磁場である。これらに対応する好適なセンサを利用してよい。
【０１７３】
ある実施形態では、信号源の方向および／または信号源の位置を決定するために、空間的に分布したセンサネットワークが用いられる。ある実施形態では、ソフトアクチュエータ内に１つ以上の放射線センサが設けられている。ソフトロボット１１０１内に複数の放射線センサ１１０３が設けられた実施形態を図１１Ａに示している。図１１Ｂに示すようにソフトロボットは作動状態１１０１’にあり、放射性物質の勾配１１０４の近くに配置されている。図面では、色が濃いほど放射性物質の濃度が高いことを示している。放射線センサ１１０Ｂは、放射性物質の濃度が最も高く信号強度が最も高くなる領域（最も暗い色のバーで示されている）の近くに配置されている。放射性物質の濃度は、センサ１１０３Ａに近い領域、センサ１１０３Ｃに近い領域、センサ１１０３Ｄに近い領域の順に小さくなる。したがって、これらのセンサが出力する信号も同じ順序で小さくなる（１１０３Ａ＞１１０３Ｃ＞１１０３Ｄ）。これは、図１１Ｂにおいてカラーバーの暗さにより示されている。ソフトロボティックシステム内のプロセッサは、信号の位置を計算するための好適なアルゴリズムを含んでいてよい。
【０１７４】
図１２Ａに示すように、シンチレーションセンサ１２０３Ａ〜１２０３Ｄを有するソフトロボット１２０１を用いて、放射性物質の勾配１２０２を検出する。センサ１２０３Ａ、１２０３Ｂが、放射性物質の濃度が最大の位置に最近接しており（最も暗い色のバーで示している）、最も強いシンチレーション光を発生させる。センサ１２０３Ｃは、放射性物質の勾配に対する位置に起因して、センサ１２０３Ｄよりも大きいシンチレーション信号を生成する。図１２Ｂは、ソフトロボット１２０４のボディが放射性物質の勾配１２０５とオーバラップする状況を示している。この例では、シンチレーション信号の強度は、放射性物質の勾配１２０５に対する相対位置に起因して、シンチレーションセンサ１２０６Ｂ、１２０６Ａ、１２０６Ｃ、１２０６Ｄの順に小さくなる。
【０１７５】
図１２Ａと図１２Ｂは、異なる位置での放射線源の検出を示していることに留意されたい。図１２Ａと図１２Ｂでは、個々のセンサ間の相対距離と放射線の勾配に沿った複数のポイントが異なっている。図１２Ｂにおいて、ネットワークにわたって測定された信号は、図１２のものとは異なる。例えば、図１２Ａにおいて、センサ１２０３Ｂは、ほぼ勾配のピークの上にあるが（矢印ａ’で示している）、図１２Ｂにおいて、センサ１２０３Ｂは、より離れた位置にある（矢印ａ’’で示している）。センサ１２０３Ｂと放射線源との距離を推定するのにはこの情報だけで十分であるが、放射線源の方向を推定するにはこの情報では不十分である。
【０１７６】
他のセンサからの情報も用いれば、放射線源までの距離に加えて方向も知ることができる。例えば、図１２Ａ、図１２Ｂにおけるセンサ１２０３Ｂの信号の差により、放射線源が移動したと結論付けることができる。放射線源が図１２Ｂの右側へ移動した場合、センサ１２０６Ｃと１２０６Ｄの信号強度が増加すると考えられる。一方、図示している実施形態では、図１２Ｂにおいて、放射線源は左側へ移動する。その結果、センサ１２０６Ｄの信号強度は、図１２Ａでセンサ１２０３Ｄが測定した信号強度に比べて大きく低下する。同様に、図１２Ｂにおいて、センサ１２０６Ｃの信号も低下することがわかる。このように、空間的に分布した複数の（２つ、３つまたはそれ以上の）センサを用いることにより、信号の方向を決定できる。
【０１７７】
ある実施形態では、１つ以上のケミカルセンサ（１３０３Ａ〜１３０３Ｄ）がソフトロボットまたはソフトアクチュエータ１３０１内に埋め込まれ、またはこれらの表面に取り付けられ（図１３）、有害な化学物質の勾配(chemical gradient)１３０２の存在を検出する。ケミカルセンサは、（特定の試料成分の濃度から組成の全体的な分析に至るまでの）化学的な情報を、分析的に有用な信号に変換する装置である。化学的な情報は、検体の化学反応または検査を行うシステムの物理的特性に基づいて生じうる。従来の電気化学ハードセンサ（例えばブレサライザーにおいて用いられるエタノールセンサ、導電性ポリマー（例えばポリチオフェン類）または増感性（感光性）の化学物質と混合されたカーボンナノチューブをベースとする可撓性化学レジスタ）を用いてもよい。あるいは、エラストマー内に導電性粒子を浮遊させて（エラストマーを導電性にして）、関心のある化学物質との接触に起因してエラストマーが膨張したときに生じるエラストマーの電気抵抗の変化を測定してもよい。図１３に示す例では、化学物質の勾配１３０２（色が暗いほど化学物質の濃度が高いことを示している）に対する相対位置に起因して、信号強度は１３０３Ａ＞１３０３Ｄ＞１３０３Ｃ＞１３０３Ｄの順に低下する。これらのセンサの読み出しに基づいて、プロセッサは、大略、化学的信号の位置（すなわち図の左側）を決定できる。
【０１７８】
ある実施形態では、ソフトロボットのボディに沿った複数のポイントで、化学兵器センサまたはケミカルセンサを適用してもよく、これらのセンサはワイヤ（例えば、リソグラフィを用いてパターニングした蛇行ワイヤ）を介して中央処理装置（プロセッサ）に接続されてもよい。次に、処理ユニットは、ソフトロボットにわたってさまざまなセンサにより測定される化学的信号の相対強度を分析する。この情報を各センサの相対位置と組み合わせることにより、化学的信号が生じる方向を決定する。いずれの理論にも拘束されることは望まないが、センサが流出した化学物質に近い位置にあれば、それだけより大きい信号が測定されることになる。したがって、３つ以上のセンサを用いることにより、三次元空間における化学的信号の勾配を推定／決定でき、それゆえ信号の位置をよりよく推定できる。あるいは、数学的に適合させて、化学的信号の位置および／または勾配を決定するためのアルゴリズムを用いてもよい。
【０１７９】
センサの分散ネットワークから抽出された情報を用いて、ソフトロボットの動作を誘導してもよい。例えば、化学兵器センサネットワークは、ソフト監視ロボットを関心のある化学的薬剤の位置まで誘導するための情報を、コントローラシステムに与えることができる。非制限的な例では、複数のケミカル（例えばＶＸガス）センサ（例えばセンサアレイ）を有するソフトロボットについて説明する。
ステップ１）では、アレイ内のセンサは化学物質の読み出しの測定を行う。
ステップ２）では、ソフトロボットのプロセッサが、センサアレイにおいて、最も強い信号を出力するセンサと最も弱い信号を出力するセンサを特定する。
ステップ３）では、プロセッサは、勾配の方向に従って、最も信号強度が低いセンサから最も信号強度が高いセンサまでの直線経路を規定する。
ステップ４）では、プロセッサは、当該直線経路に沿って信号が大きくなる方向に向かって一定の距離（例えば１メートル）だけ進むようにロボットに命令を出す。
ステップ５）では、ソフトロボットセンサは、センサアレイにおいて信号の別の測定を行い、さらに当該プロセスを繰り返す。これらのステップを繰り返すことにより、ソフトロボットは、最終的に化学物質源まで移動する。
【０１８０】
１つ以上の実施形態において、前記センサは、電極対または複数の電極と関連回路を与えるように構成されたバイオロジカルセンサ（例えば、免疫検定の実施に適し、または、これに限定されないがグルコース、尿素、イオン濃度、重金属、乳酸、尿酸などさまざまな検体の存在や濃度の検出に適したもの）である。非制限的な実施形態では、前記センサはグルコースセンサであり、ソフトロボットは、試験領域と、ソフトロボットデバイスの例えば歪制限層の上にマウントされた計測器と相互作用する電極と、を備えている。
【０１８１】
図１４には、複数の光センサ１４０５，１４０７，１４０９，１４１１を備えたソフトロボット１４０１を示している。光源１４０３からの相対距離に起因して、信号強度は１４０５＞１４０７＞１４０９＞１４１１の順に小さくなる。これらのセンサの読み出しに基づいて、プロセッサは光源の位置を大略、決定できる。
【０１８２】
幾つかの実施形態では、前記センサは温度センサである。温度センサは、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータの歪制限層内または空気圧層内に埋め込まれていてもよい。他の実施形態では、温度センサは、ソフトロボットまたはソフトアクチュエータの歪制限層または空気圧層の表面に取り付けられていてもよい。ある実施形態では、温度センサは空気圧層内に設けられ、空気圧層内にある気体または液体の温度を測定する。
【０１８３】
温度センサには、この技術分野で知られた任意のものを用いることができる。温度センサの非制限的な例は、サーミスタ、測温抵抗体および熱電対である。
【０１８４】
エラストマー材料の機械特性（例えば剛性）は、温度に強い相関がある。温度変化は、ソフトアクチュエータの物理的挙動を可逆的に、または永久的に変更しうる。ソフトアクチュエータ内に埋め込まれ、またはソフトアクチュエータに取り付けられた温度センサが、アクチュエータの構造内で用いられるエラストマー材料の動作温度の変化を検出してよく、または、マイクロプロセッサベースの制御システムが、アクチュエータを作動させてエラストマーの機械特性の変化の補償に用いられる流体圧を調整してよい。例えば、エラストマーの剛性は温度に応じて変化するので、ソフトアクチュエータは、さまざまな温度で所定の作動形状を達成するための異なる膨張圧を必要とすることになる。ある実施形態では、制御システムは、温度データを用いて、必要に応じて作動圧を調節することにより、ソフトアクチュエータが温度とは無関係に膨張して同じ形状となるように構成されている。
【０１８５】
ある実施形態では、アクチュエータ内の温度を測定して、その温度が、アクチュエータを構成するエラストマーの安全動作の範囲外であるか否かを決定し、安全動作の範囲外の温度である場合にはロボティックシステムのシャットダウンを開始してもよい。例えば、アクチュエータの温度が所定のしきい値未満（シリコンの場合、典型的には−１００℃未満）である場合、エラストマーは脆化する。その結果、アクチュエータを膨張させることにより、アクチュエータが破裂してロボットが破壊される可能性がある。
【０１８６】
さらに別の態様では、エラストマーボディを有するソフトロボットであって、エラストマーボディは、当該エラストマーボディ内に配置された１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）と、１つのチャンバ（または互いに相互接続された複数のチャンバ）に供給される流体を受けるように構成された加圧用インレットとを有するソフトロボットと、１つ以上のサーマルセンサと、１つ以上のサーマルセンサに動作可能に接続され、サーマルセンサの読み出しに基づいてチャンバの流体加圧を制御するように構成されたプロセッサと、を備えたソフトロボティックシステムについて説明している。
【０１８７】
ある実施形態では、複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、ソフトロボットのエラストマーボディ内に埋め込まれ、またはエラストマーボディに取り付けられている。他の実施形態では、ソフトロボットは、エラストマーボディの一面に沿って配置された歪制限層をさらに備えており、複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、歪制限層の表面に取り付けられ、または歪制限層内に埋め込まれている。他の実施形態では、複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、ソフトロボットから所定距離を隔てた位置に配置されている。サーマルセンサを用いて、ソフトロボットのすぐ近くの環境の温度、またはソフトロボットから離れた位置にある環境の温度を測定してよい。複数のサーマルセンサのうち少なくとも１つは、ソフトロボットから約０．１ｍ、約０．３ｍ、約０．５ｍ、約１ｍ、約５ｍ、約１０ｍ、約５０ｍ、約１００ｍ、約２００ｍ、約５００ｍまたは約１０００ｍ離れた位置に配置され、またはここで開示しているいずれか２つの距離の間に拘束されてもよい。
【０１８８】
したがって、ある実施形態では、プロセッサは、サーマルセンサからの温度読み出しに基づいて、サーマルセンサからの読み出しを解釈し、ソフトロボティックデバイスの剛性および／または形態をリアルタイムで測定または推定するように構成されている。次に、プロセッサは、チャンバの流体加圧を制御して、アクチュエータおよび／または周囲環境の温度を補償する。つまり、温度が低いほどエラストマーボディの剛性が大きい場合、プロセッサは、チャンバ内での流体の圧力または流体の体積を増加させ、所望の膨張状態／形態を達成する。一方、温度が高いほどエラストマーボディの剛性が小さい場合、プロセッサは、チャンバ内での流体の圧力を現象させ、所望の膨張状態／形態を達成する
【０１８９】
ある実施形態では、プロセッサは、サーマルセンサに有線接続またはＷｉ−Ｆｉ接続され、サーマルセンサの読み出しを受信する。プロセッサは、当該読み出しに基づいて、例えば流体ポンプを通じてチャンバの流体加圧を制御し、チャンバ内の流体量を調整する。
【０１９０】
矢印１５０５で示す縦方向の熱勾配（図１５Ａの上から下に向かって温度は低下する）を検出する複数のサーマルセンサ１５０３Ａ−１５０３Ｄを備えたソフトロボット１５０１を図１５Ａに示している。サーマルセンサ１５０３Ａ〜１５０３Ｄは縦方向の熱勾配について同じ位置に配置されているので、同じまたは同程度の温度の読み出しを生じることになる。一方、図１５Ｂにおいて、ソフトロボットが作動すると（１５０１’で示す）、センサは縦方向の熱勾配に対して異なる位置に配置される。その結果、センサが生成する温度読み出しは、１５０３Ａ＞１５０３Ｂ＞１５０３Ｃ＞１５０３Ｄの順に小さくなる。ロボットの作動状態と非作動状態でのセンサの複数の読み出しに基づいて、コンピュータのアルゴリズムに基づいて、プロセスは熱勾配の方向を推定してよい。
【０１９１】
ある具体的な実施形態では、温度センサは電圧を測定するように構成された熱電対であり、電圧は、歪制限層またはエラストマーボディの温度と相関している。他の実施形態では、温度センサは、測温抵抗体、サーミスタまたはツェナーダイオードであり、温度を決定するために抵抗または電圧が測定される。ある実施形態では、温度の関数としてのエラストマーの剛性が既知であり、温度読み出しに基づいてエラストマーの剛性を決定し、有限要素解析を用いて膨張圧の関数としてのアクチュエータの曲率を決定し、温度に応じた校正法を実施できる。他の実施形態では、さまざまな温度でアクチュエータを膨張させ、圧力の関数として曲率を測定し、校正法を実験的に発展させてもよい。
【０１９２】
作動中にソフトアクチュエータの表面が歪むので、センサ間の相対距離は一定値で維持されない。ネットワークにおけるセンサ間での相対距離が変化することにより、関心のある信号の方向の決定が複雑になる。この問題を最小限に抑えるため、ある実施形態では、ソフトロボットの作動中に歪みが最も小さくなるのは歪制限層であることに鑑み、空間的に分布したセンサネットワークをソフトロボットの歪制限層に設けてもよい（例えば、センサネットワークは歪制限層内に埋め込まれ、または歪制限層の表面に取り付けられてもよい）。
【０１９３】
ある実施形態では、前記センサは音響センサである。図１６に示すように、複数の音響センサ１６０２がソフトロボット１６０１の表面の上に取り付けられている。各音響センサから音源１６０３までの距離が異なるので、センサからの読み出しが異なる。プロセッサは、これらの差異に基づいて、音源の位置を推定または計算するアルゴリズムを有していてよい。
【０１９４】
ある実施形態では、本明細書で開示しているいずれかの実施形態に係るソフトロボットと、ソフトロボットの動きを制御するプロセッサと制御システムの少なくとも一方と、を備えたシステムについて説明している。ある実施形態では、ユーザおよび／またはプロセッサが、センサ（例えば、さまざまな放射性物質センサ、ケミカルセンサ、音響センサ、照明センサ(illumination sensor)または本明細書で説明しているいずれかのセンサ）により取得される情報に基づいて、読み出しを用いて、信号源（例えば、放射性物質、化学物質、音源または光源）の位置を推定できる。さらに、ソフトロボットの動きを制御するコントローラを備えたシステムがソフトロボットを含む場合、コントローラは、ソフトロボットを制御して、信号源の近くへ移動させて信号源の位置を確認してもよく（信号源の位置の推定が正しければ、センサにより得られる信号は大まかに言って大きくなる）、かつ／または、さらに信号源を調査してもよい。例えば、ソフトロボットは、信号源に対するロボットの相対位置を決定する１つ以上の位置センサをさらに備えていてよく、コントローラはこの情報を用いて、信号源に対して近づくように、または遠ざかるようにロボットの動きを誘導してもよい。
【０１９５】
ある実施形態では、ソフトロボットには、その絶対位置を決定するように構成された位置センサ（例えばＧＰＳ）が埋め込まれ、または取り付けられている。これらの実施形態では、ソフトロボットは、その絶対位置についての情報（ＧＰＳユニットから得られる）と、推定した信号源（本明細書で説明しているいずれかの信号源であって、センサアレイまたはセンサネットワークを用いて測定される）の相対位置を組み合わせ、信号源の絶対位置を推定する。例えば、ソフトロボットがＧＰＳユニットとケミカルセンサ（例えばＶＸセンサ）アレイを有している場合、ソフトロボットは、それ自身とＶＸガスのＶＸセンサアレイからの相対距離を決定でき、さらに、決定した相対距離は、ＧＰＳセンサから得られるロボットの絶対位置に対するオフセットとして利用できる。この計算により得られる最終の値は、ＶＸガス源の絶対位置であろう。この情報は、離れた位置にいるユーザに送信されてよい。
【０１９６】
さらに別の態様では、本明細書で説明しているいずれか１つの実施形態に係るソフトロボティックデバイスの状態を検知する方法について説明している。この方法は、１つ以上のセンサまたは撮像領域からの読み出しを取得するステップと、ソフトロボティックデバイスの状態を決定するステップとを含んでいる。
【０１９７】
本明細書において、別途定義されるか、用いられるか、または特徴付けされない限り、本明細書で用いられる用語（技術用語および科学用語を含む）は、関連技術に照らして許容される意味と一貫性のある意味を持つと解釈すべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的、または過度に画一化された意味を持つと解釈すべきでない。例えば、特定の組成について言及する場合、その組成は、実際には、完全ではないが実質的には純粋なものとすることができ、現実に不完全な組成が適用されてもよく、例えば、少なくとも微量不純物（１％または２％未満など）が存在していても、本願明細書の範囲内であると考えることができる。同様に、特定の形状について言及する場合、その形状には、例えば、製造公差に起因して理想的な形状から外れたばらつきが存在していてもよい。本明細書で表現される百分率または濃度は、重量または体積のいずれで表されてもよい。
【０１９８】
第１、第２、第３などの用語は、本明細書においてさまざまな要素を説明するために用いることができるが、これらの要素は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、単に、１つの要素を他から区別するために用いられる。したがって、以下で説明する第１の要素は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素と名付けることができる。本明細書では、「上に」、「下に」、「左に」、「右に」、「前に」、「後ろに」など、空間において相対的な位置を表す用語を、図示する１つの要素と別の要素との関係を説明する記述を容易にするために用いている。当然であるが、空間において相対的な位置を表す用語および図示した構成は、本明細書で説明し、図面で示している向きに加えて、使用時または運転時の装置のさまざまな向きを包含する。例えば、別の要素または部分の「下に」または「真下に」と説明された要素は、図示している装置を反転させると、別の要素または部分の「上に」配置される。したがって、例示的な用語「上に」は、上および下の向きを両方包含することができる。装置は、図示している方向と異なる方向を向いていてもよく（例えば、９０度または他の角度で回転させてもよく）、本明細書で用いている空間において相対的な位置を表す用語は、これに従って解釈される。さらに、本開示において、１つの要素が別の要素に「配置される」、「接続される」、または「つなげられる」または「接触している」など、という場合、別途指定しない限り、この要素は、別の要素に直接的に配置されるか、接続されるか、つなげられるか、または接触してよいし、あるいは他の要素が介在していてもよい。
【０１９９】
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することはない。本明細書において、「１つの」などの単数形は、文脈が別途示さない限り、複数形も含む。
【０２００】
説明目的で、特定の順序のステップについて図示および記載してきたが、これらの順序は特定の点で変更可能であり、あるいは、所望の構成を入手しつつ、前記ステップを組み合わせることも可能であることが理解される。また、本発明の開示の範囲内であれば、開示している実施形態および特許請求の範囲に記載した発明の変形例が存在する。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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