(57)【要約】可撓性ロボットアクチュエータを提供するシステムと方法について開示している。開示している主題についての幾つかの実施形態は、径方向撓み動作を可能にするソフトロボット、種々の動作を可能にすると共に種々の材料のための輸送手段を与える軟質触手、ソフトロボットとハードロボットの両方の所望の特性を保持するハイブリッドロボットシステムを備える。また、開示している主題についての幾つかの実施形態は、開示しているロボットシステムを動作させる方法を含む。
2015512795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の埋込み流体チャネルを有する可撓体、ここで該複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つは、前記可撓体の中心軸周りに同心円状に配置されるものであり、
前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つに連結された加圧口、ここで該加圧口は、加圧流体を受けて前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つの一部を膨張させ、これにより前記可撓体の径方向撓みが生じるように構成されたものである、
を備えたソフトロボット。
【請求項２】
前記可撓体は歪み制限層を含み、
前記歪み制限層の引張係数が前記可撓体の引張係数よりも大きい、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項３】
前記歪み制限層は紙を含む、
請求項２に記載のソフトロボット。
【請求項４】
前記可撓体の上方に、該可撓体を封止するように接触して配置されたソフトチャンバを備え、
前記ソフトチャンバは、流体リザーバと流体入口を備えた、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項５】
前記ソフトチャンバは、カバー層と１つまたは複数個の壁を含むキャップを備え、
前記１つまたは複数個の壁は前記可撓体に取り付けられ、
前記キャップと前記可撓体との間の空間により前記流体リザーバを形成する、
請求項４に記載のソフトロボット。
【請求項６】
前記流体リザ−バは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つが加圧されたときに前記流体入口を介して流体を搬送するように構成されている、
請求項５に記載のソフトロボット。
【請求項７】
前記流体リザーバは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つが減圧されたときに前記流体入口を介して流体を受けるように構成されている、
請求項５に記載のソフトロボット。
【請求項８】
前記可撓体は、エラストマーを用いて成形されている、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項９】
前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つは、同心多角形として構成されている、
請求項１に記載のソフトロボット。
【請求項１０】
前記同心多角形は同心円を含む、
請求項９に記載のソフトロボット。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のソフトロボットを準備するステップ、
前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを加圧し、これにより前記ソフトロボットの径方向撓みが生じるようにしたステップ
を含む、ソフトロボットを駆動する方法。
【請求項１２】
請求項４から１０のいずれか１項に記載のソフトロボットを準備するステップ、
前記流体入口を介して前記ソフトチャンバに流体を供給するステップ、
前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを加圧し、これにより前記流体入口を介して前記ソフトチャンバ内に収納された流体を排出するステップ
を含む、流体を受容または搬送する方法。
【請求項１３】
前記加圧口から前記加圧流体を除去し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを減圧し、これにより前記流体入口を介して前記ソフトチャンバ内へ流体を吸入するステップを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ソフトチャンバは、或る試薬と反応して発色する化学試薬を収納するように構成されている、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のソフトロボットを準備するステップ、
非多孔性表面に対して前記ソフトロボットを配置するステップ、
前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを加圧し、これにより前記非多孔性表面に対して前記ソフトロボットを崩壊させて吸引封止を形成するステップ
を含む非多孔性表面を把持する方法。
【請求項１６】
可撓性を有する成形体であって、該成形体の中に配置された複数のチャネルを有する成形可撓体、ここで前記複数のチャネルは、前記成形体の中心軸と同軸であり、前記成形体の一部は、弾性伸長性材料を含み、前記成形体の一部は、前記弾性伸長性材料に対して歪み制限的であり、前記成形体は、前記複数のチャネルのうち１つが加圧流体により加圧されたときに優先的に膨張するように構成されたものであり、
前記複数のチャネルのうち少なくとも１つについて加圧流体を受けるように構成された加圧口、
前記成型体の一端と他端との間で第１材料を移動させるように構成された第１輸送チャネル、
前記成型体の一端と他端との間で第２材料を移動させるように構成された第２輸送チャネル
を備えたソフトロボットアクチュエータ。
【請求項１７】
前記第１輸送チャネルは、前記成形体の歪み制限部分内に埋め込まれ、
前記第２輸送チャネルは、前記成形体の弾性伸長部分内に埋め込まれている、
請求項１６に記載のソフトロボットアクチュエータ。
【請求項１８】
前記第１材料は固体粒子を含み、
前記第２材料は液体を含む、
請求項１６に記載のソフトロボットアクチュエータ。
【請求項１９】
前記第１材料は固体粒子を含み、
前記第２材料は液体を含む、
請求項１６に記載のソフトロボットアクチュエータ。
【請求項２０】
前記複数のチャネルは、前記成形体の中心軸に沿って複数の節に分けられている、
請求項１６に記載のソフトロボットアクチュエータ。
【請求項２１】
ソフトロボットシステムであって、
前記ソフトロボットシステムを支持するように構成された複数の可撓性アクチュエータ、ここで前記複数の可撓性アクチュエータのうち少なくとも１つは、加圧されて関連する可撓性アクチュエータを駆動するように構成された流体チャネルを備え、
可撓性を有する成形体を備えた軟質触手アクチュエータ、ここで該成形体は中に配置された複数のチャネルを有し、該複数のチャネルは前記成形体の中心軸と同軸であり、前記成形体の一部は弾性伸長材料を含み、前記成形体の一部は前記弾性伸長材料に対して歪み成形的であり、前記成形体は、前記複数のチャネルのうち１つまたは複数個が加圧流体により加圧されたときに優先的に膨張するように構成されたものであり、
前記成形体に連結され、前記ソフトロボットシステムの周囲の場面を撮影するように構成されたカメラモジュール
を備えたソフトロボットシステム。
【請求項２２】
前記複数の可撓性アクチュエータは、前記カメラモジュールが撮影した画像に応じて駆動されるように構成されている、
請求項２１に記載のソフトロボットシステム。
【請求項２３】
前記軟質触手アクチュエータと前記複数の可撓性アクチュエータは、独立して駆動されるように構成されている、
請求項２１に記載のソフトロボットシステム。
【請求項２４】
ロボットシステムであって、
複数の埋め込み流体チャネルを有する可撓体を備えたソフトロボットシステム、ここ前記複数の埋め込み流体チャネルは、上壁、下壁および側壁により画定され、その少なくとも１つの壁が歪み制限的であり、前記ソフトロボットは前記複数の埋め込み流体チャネルに連結された加圧口を有し、前記加圧口は、加圧流体を受けて前記複数の埋め込み流体チャネルの少なくとも一部を加圧し、前記ソフトロボットを動作させるように構成されており、
前記ソフトロボットに連結され、前記ロボットシステムを移動させるように構成されたハードロボット、
前記ソフトロボットとハードロボットに連結されたロボット制御システム、ここで前記ロボット制御システムは、前記加圧流体を流体口に与えるように構成された流体システムを備えるものである、
ロボットシステム。
【請求項２５】
前記流体システムは、前記ソフトロボットシステムの加圧口に連結され、前記複数の流体チャネルのうち１つまたは複数個を加圧するように構成されたポンプとバルブを備え、
前記ポンプとバルブは、前記複数の流体チャネルのうち１つまたは複数個に関連する駆動シーケンスを用いて制御されるように構成されている、
請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項２６】
前記駆動シーケンスは、（ａ）バルブを閉じる、（ｂ）ポンプの電源を入れて流体チャネルを加圧する、（ｃ）バルブを閉じた状態でポンプの電源を切る、（ｄ）バルブを開いて収縮させる、のうち少なくとも１つを示すものである、
請求項２５に記載のロボットシステム。
【請求項２７】
前記ソフトロボットシステムは、請求項１から１０、１６から２３のいずれか１項に記載のソフトロボットを備える、
請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項２８】
前記ソフトロボットシステムは複数のアクチュエータを備え、
前記複数のアクチュエータはそれぞれ流体入口を有している、
請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項２９】
前記流体システムは、前記アクチュエータに関連した駆動シーケンスを用いて１つまたは複数個のアクチュエータを選択的に駆動することにより、前記ソフトロボットシステムを動作させるように構成されている、
請求項２８に記載のロボットシステム。
【請求項３０】
前記ソフトロボット内の複数のアクチュエータは、回転対称性を示すように配置されている、
請求項２８に記載のロボットシステム。
【請求項３１】
前記ロボット制御システムは、前記駆動シーケンスと前記アクチュエータとの間の関係を変更することにより、前記ソフトロボットシステムの移動方向を変更するように構成されている、
請求項３０に記載のロボットシステム。
【請求項３２】
前記ロボット制御システムに結合された中央制御システムを備え、
前記中央制御システムは、前記ハードロボットが所定の方向に移動するように前記ロボット制御システムに命令を出すように構成されている、
請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項３３】
前記中央制御システムに結合されたカメラシステムを備え、
前記カメラシステムは、前記ハードロボットの周囲の環境の画像を記憶するように構成されており、
前記中央制御システムは、前記記憶された画像を用いて前記ハードロボットの周囲の障害物を特定するように構成されている、
請求項３２に記載のロボットシステム。
【請求項３４】
前記ソフトロボットシステムは、前記カメラシステムが撮影した画像に応じて駆動されるように構成されている、
請求項３３に記載のロボットシステム。
【請求項３５】
前記ロボットシステムはロボット掃除機を含む、
請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項３６】
ロボットシステムを動作させる方法であって、
請求項２４から３５のいずれか１項に記載のロボットシステムを準備するステップ、
中央制御システムにより、前記ハードロボットの周囲の場面の画像をカメラシステムから受けるステップ、
前記中央制御システムにより、前記ソフトロボットシステムが掴む対象の物体を特定するステップ、
前記中央制御システムにより、前記特定した物体に近接した位置に前記ハードロボットが移動するように、かつ、前記特定した物体を前記ソフトロボットシステムが掴むように前記ロボット制御システムに命令を出すステップ
を含む方法。
【請求項３７】
前記ロボット制御システムにより、前記流体システムに駆動シーケンスを与えて前記ソフトロボットシステムを制御するステップを含む、
請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記流体システムはポンプとバルブを備え、
（ａ）バルブを閉じるステップ、
（ｂ）ポンプの電源を入れて流体チャネルを加圧するステップ、
（ｃ）バルブを閉じた状態でポンプの電源を切るステップ、
（ｄ）バルブを開いて収縮させるステップ
を含む、請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年３月２６日に出願された“ＦＬＥＸＩＢＬＥ  ＲＯＢＯＴＩＣ  ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ”と題する米国仮特許出願第６１／６１５，６６５号の出願日の利益を主張する。また、本出願は、２０１２年６月１８日に出願された“ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＯＦＴ  ＲＯＢＯＴＳ  ＡＮＤ  ＨＡＲＤ  ＲＯＢＯＴＳ”と題する米国仮特許出願第６１／６７３，００３号の出願日の利益を主張する。また、本出願は、２０１２年９月７日に出願された“ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ  ＳＯＦＴ  ＴＥＮＴＡＣＬＥＳ”と題する米国仮特許出願第６１／６９８，４３６号の出願日の利益を主張する。本明細書内で引用される全ての特許、特許出願および公開は、本明細書で説明される本発明の時点で当業者に既知の技術水準をより完全に説明するために、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（連邦政府の支援による研究開発に関する記述）
本発明は、国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）により授与された認可番号Ｗ９１１ＮＦ−１１−１−００９４、Ｗ９１１ＮＦ−０９−１−０４７６と、全米科学財団により授与された認可番号ＰＨＹ−０６４６０９４、ＤＭＲ−０８２０４８４と、エネルギー省により授与された認可番号ＤＥ−ＦＧ０２−００ＥＲ４５８５２の下に、米国政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
骨格を有する動物に似たロボットに対して、多くのアプローチが活発に開発されている。これらのロボットの多くは、いわゆる「ハード」ボディプラン、すなわち、剛体（通常は金属）骨格、電気駆動部または油圧駆動部、電気機械的制御部、検知部およびフィードバック部を用いて構築される。これらのロボットは、それらを設計する上での課題（例えば制御環境における重工業）においては成功している。しかし、より厳しい課題（例えば、厳しい環境における安定した運動性）に直面したとき、これらのロボットには厳しい制限がある。すなわち、多くの環境で、トラック・ホイールの性能は脚や蹄の性能に劣ってしまう。
【０００４】
別クラスのロボット（骨格を有しない動物をベースとするもの）は、以下の理由のためにあまり利用されていない。ｉ）「海洋状（ｍａｒｉｎｅ−ｌｉｋｅ）」生物（イカ）は、水の浮力に支えられなければ動作できないと考えられる。ｉｉ）これらのシステムを作るのに必要な材料や部品は手に入らないことが多い。ｉｉｉ）これらのシステムにおいて用いられる主な駆動部は、従来のロボットでは事実上使用されていない。
これらのシステムは、ハードボティシステムと比較して、能力や可能な用途が大きく異なる。これらのシステムは、ハードボディシステムよりも（少なくとも開発初期では）低速であるだろうが、制限された空間（亀裂、瓦礫）をより安定かつ良好に移動できるようになると共に、より軽量で安価になるだろう。
【０００５】
「ソフト（軟質）」と言い表すことができるロボット（またはロボットアクチュエータ）は、その製造に使用する材料や駆動方法により、非常に簡単に分類できる。ソフトロボット駆動の分野は、１９５０年にＫｕｈｎらによる研究で始まった。彼らの研究は、周囲媒質のｐＨに応じたポリマー材料の可逆変化（巻く、ほどける）に焦点を当てたものであった。彼らは、これを利用して重りを上げ下げすることに成功し、ロボット駆動における軟質材料の利用について原理の証明を提示した。Ｈａｍｌｅｎらは、１９６５年、このアイデアについて詳細な説明を行い、ポリマー材料を電解で収縮させられることを示した。これら２つの発見により、ポリマーゲルの膨張と誘電体ベースのアクチュエータの電気的制御を用いる将来の研究のための準備が整った。Ｏｔａｋｅらは、ヒトデ型ロボットアクチュエータの製造における電気活性ポリマーの使用を実証した。伸長性（ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ）ポリマーから作った封止チャンバの加圧をベースにした空気圧駆動ソフトアクチュエータが、１９９１年にＳｕｚｕｍｏｒｉらによって最初に報告された。この種の駆動をミリメートルスケールで用いて、グリッパ、触手、その他関連のあるデバイス（空気圧式バルーンなど）が製造されている。
【０００６】
伸長性のない材料を用いて、蛇腹のような構造に依存する空気圧式ソフトロボットアクチュエータを製造できる。空気圧式人工筋肉（ＰＡＭ）としても知られるＭｃＫｉｂｂｅｎアクチュエータは、駆動軸方向に伸長性を有しない織りシース（ｗｏｖｅｎ  ｓｈｅａｔｈ）内に拘束されたブラダの膨張に依存している。生じる変形は、径方向の膨張と軸方向の収縮につながる。加えることができる力は、加わる圧力に比例する。関連するアクチュエータは、ひだ付き（ｐｌｅａｔｅｄ）空気圧式人工筋肉と称されている。
【０００７】
形状記憶合金などの「ソフト」ロボットアクチュエータが存在する。これは、這う動き（クロール）とジャンプの両方が可能なロボットにおいて、駆動方法としても主要な構造コンポーネントとしてもＳｕｇｉｙａｍａらにより使用されてきたものである。「ソフト」と称することができる別のアプローチでは、従来のロボット要素（電気モータ）とシェイプデポジション製造法（ＳＤＭ：Ｓｈａｐｅ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）をベースとしたポリマーリンク機構との組み合わせを用いる。この技術は、３Ｄ印刷とフライス加工の組み合わせである。軟質要素を有する従来のロボットの複合材の一例が、ソフトフィンガを備えたロボットグリッパの開発において使用されて大きな成功を収めており、ニュージーランドで柔らかいフルーツの包装のスピードと効率性を向上させている。
【０００８】
ソフトロボットについて更なる能力が求められている。
【発明の概要】
【０００９】
可撓性ロボットアクチュエータと、可撓性ロボットアクチュエータを用いて構成したロボットシステムについて説明している。本開示のこれらのおよび他の態様、実施形態について、以下で説明している。
【００１０】
幾つかの実施形態は、ソフトロボットを備える。このソフトロボットは、複数の埋込み流体チャネルを有する可撓体を備えてもよい。該複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つは、前記可撓体の中心軸周りに同心円状に配置されるものであってもよい。また、このソフトロボットは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つに連結された加圧口を備えてもよい。該加圧口は、加圧流体を受けて前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つの一部を膨張させ、これにより前記可撓体の径方向撓みが生じるように構成されたものであってもよい。
【００１１】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、ソフトロボットは、前記可撓体の上方に、該可撓体を封止するように接触して配置されたソフトチャンバを備えてもよく、前記ソフトチャンバは、流体リザーバと流体入口を備えてもよい。
【００１２】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ソフトチャンバは、カバー層と１つまたは複数個の壁を含むキャップを備え、前記１つまたは複数個の壁は前記可撓体に取り付けられ、前記キャップと前記可撓体との間の空間により前記流体リザーバを形成してもよい。
【００１３】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記流体リザ−バは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つが加圧されたときに前記流体入口を介して流体を搬送するように構成されていてもよい。
【００１４】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記流体リザーバは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つが減圧されたときに前記流体入口を介して流体を受けるように構成されていてもよい。
【００１５】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記可撓体は、エラストマーを用いて成形されていてもよい。
【００１６】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つは、同心多角形として構成されていてもよい。
【００１７】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記同心多角形は同心円を含んでもよい。
【００１８】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記可撓体は歪み制限層を含んでもよく、前記歪み制限層の引張係数が前記可撓体の引張係数よりも大きくてもよい。
【００１９】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記歪み制限層は紙を含んでもよい。
【００２０】
幾つかの実施形態は、ソフトロボットを駆動する方法を含む。この方法は、本明細書で説明している実施形態によるソフトロボットを準備するステップ、前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを加圧し、これにより前記ソフトロボットの径方向撓みが生じるようにしたステップを含んでもよい。
【００２１】
幾つかの実施形態は、ソフトロボットを駆動する方法を含む。この方法は、本明細書で説明している実施形態によるソフトロボットを準備するステップ、前記流体入口を介して前記ソフトチャンバに流体を供給するステップ、前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを加圧し、これにより前記流体入口を介して前記ソフトチャンバ内に収納された流体を排出するステップを含んでもよい。
【００２２】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、方法は、前記加圧口から前記加圧流体を除去し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを減圧し、これにより前記流体入口を介して前記ソフトチャンバ内へ流体を吸入するステップを含んでもよい。
【００２３】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ソフトチャンバは、或る試薬と反応して発色する化学試薬を収納するように構成されていてもよい。
【００２４】
幾つかの実施形態は、非多孔性表面を把持する方法を含む。この方法は、本明細書で説明している実施形態によるソフトロボットを準備するステップ、非多孔性表面に対して前記ソフトロボットを配置するステップ、前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも２つを加圧し、これにより前記非多孔性表面に対して前記ソフトロボットを崩壊させて吸引封止を形成するステップを含んでもよい。
【００２５】
幾つかの実施形態は、ソフトロボットアクチュエータを含む。このソフトロボットアクチュエータは、可撓性を有する成形体であって、該成形体の中に配置された複数のチャネルを有する成形可撓体を備えてもよい。前記複数のチャネルは、前記成形体の中心軸と同軸であり、前記成形体の一部は、弾性伸長性材料を含んでもよい。前記成形体の一部は、前記弾性伸長性材料に対して歪み制限的であってもよい。前記成形体は、前記複数のチャネルのうち１つが加圧流体により加圧されたときに優先的に膨張するように構成されていてもよい。ソフトロボットアクチュエータは、前記複数のチャネルのうち少なくとも１つについて加圧流体を受けるように構成された加圧口を備えてもよい。ソフトロボットアクチュエータは、前記成型体の一端と他端との間で第１材料を移動させるように構成された第１輸送チャネルと、前記成型体の一端と他端との間で第２材料を移動させるように構成された第２輸送チャネルを備えてもよい。
【００２６】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記第１輸送チャネルは、前記成形体の歪み制限部分内に埋め込まれていてもよく、前記第２輸送チャネルは、前記成形体の弾性伸長部分内に埋め込まれていてもよい。
【００２７】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記第１材料は固体粒子を含んでもよく、前記第２材料は液体を含んでもよい。
【００２８】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記第１材料は固体粒子を含んでもよく、前記第２材料は液体を含んでもよい。
【００２９】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記複数のチャネルは、前記成形体の中心軸に沿って複数の節に分けられていてもよい。
【００３０】
幾つかの実施形態は、ソフトロボットシステムを含む。このソフトロボットシステムは、該ソフトロボットシステムを支持するように構成された複数の可撓性アクチュエータを備えてもよい。前記複数の可撓性アクチュエータのうち少なくとも１つは、加圧されて関連する可撓性アクチュエータを駆動するように構成された流体チャネルを備えてもよい。ソフトロボットシステムは、可撓性を有する成形体を備えた軟質触手アクチュエータを備えてもよい。該成形体は中に配置された複数のチャネルを有してもよい。該複数のチャネルは前記成形体の中心軸と同軸でもよい。前記成形体の一部は弾性伸長材料を含んでもよい。前記成形体の一部は前記弾性伸長材料に対して歪み成形的であってもよい。前記成形体は、前記複数のチャネルのうち１つまたは複数個が加圧流体により加圧されたときに優先的に膨張するように構成されていてもよい。ソフトロボットシステムは、前記成形体に連結され、前記ソフトロボットシステムの周囲の場面を撮影するように構成されたカメラモジュールを備えてもよい。
【００３１】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記複数の可撓性アクチュエータは、前記カメラモジュールが撮影した画像に応じて駆動されるように構成されていてもよい。
【００３２】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記軟質触手アクチュエータと前記複数の可撓性アクチュエータは、独立して駆動されるように構成されていてもよい。
【００３３】
幾つかの実施形態は、ロボットシステムを含む。このロボットシステムは、複数の埋め込み流体チャネルを有する可撓体を備えたソフトロボットシステムを備えてもよい。前記複数の埋め込み流体チャネルは、上壁、下壁および側壁により画定され、その少なくとも１つの壁が歪み制限的であってもよい。前記ソフトロボットは前記複数の埋め込み流体チャネルに連結された加圧口を有してもよい。前記加圧口は、加圧流体を受けて前記複数の埋め込み流体チャネルの少なくとも一部を加圧し、前記ソフトロボットを動作させるように構成されていてもよい。ロボットシステムは、前記ソフトロボットに連結され、前記ロボットシステムを移動させるように構成されたハードロボットを備えてもよい。ロボットシステムは、前記ソフトロボットとハードロボットに連結されたロボット制御システムを備えてもよい。前記ロボット制御システムは、前記加圧流体を流体口に与えるように構成された流体システムを備えてもよい。
【００３４】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記流体システムは、前記ソフトロボットシステムの加圧口に連結され、前記複数の流体チャネルのうち１つまたは複数個を加圧するように構成されたポンプとバルブを備えてもよい。前記ポンプとバルブは、前記複数の流体チャネルのうち１つまたは複数個に関連する駆動シーケンスを用いて制御されるように構成されていてもよい。
【００３５】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記駆動シーケンスは、（ａ）バルブを閉じる、（ｂ）ポンプの電源を入れて流体チャネルを加圧する、（ｃ）バルブを閉じた状態でポンプの電源を切る、（ｄ）バルブを開いて収縮させる、のうち少なくとも１つを示すものであってもよい。
【００３６】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、ソフトロボットシステムは、ソフトロボット、ソフトロボットアクチュエータまたは他の任意の種類の可撓性ロボットシステムを備えてもよい。
【００３７】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ソフトロボットシステムは複数のアクチュエータを備えてもよく、前記複数のアクチュエータはそれぞれ流体入口を有してもよい。
【００３８】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記流体システムは、前記アクチュエータに関連した駆動シーケンスを用いて１つまたは複数個のアクチュエータを選択的に駆動することにより、前記ソフトロボットシステムを動作させるように構成されていてもよい。
【００３９】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ソフトロボット内の複数のアクチュエータは、回転対称性を示すように配置されていてもよい。
【００４０】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ロボット制御システムは、前記駆動シーケンスと前記アクチュエータとの間の関係を変更することにより、前記ソフトロボットシステムの移動方向を変更するように構成されていてもよい。
【００４１】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ロボットシステムは、前記ロボット制御システムに結合された中央制御システムを備えてもよい。前記中央制御システムは、前記ハードロボットが所定の方向に移動するように前記ロボット制御システムに命令を出すように構成されていてもよい。
【００４２】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ロボットシステムは、前記中央制御システムに結合されたカメラシステムを備えてもよい。前記カメラシステムは、前記ハードロボットの周囲の環境の画像を記憶するように構成されていてもよい。前記中央制御システムは、前記記憶された画像を用いて前記ハードロボットの周囲の障害物を特定するように構成されていてもよい。
【００４３】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ソフトロボットシステムは、前記カメラシステムが撮影した画像に応じて駆動されるように構成されていてもよい。
【００４４】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記ロボットシステムはロボット掃除機を含んでもよい。
【００４５】
幾つかの実施形態は、ロボットシステムを動作させる方法を含む。この方法は、本明細書で説明しているいずれかの実施形態によるソフトロボットを準備するステップ、中央制御システムにより、前記ハードロボットの周囲の場面の画像をカメラシステムから受けるステップ、前記中央制御システムにより、前記ソフトロボットシステムが掴む対象の物体を特定するステップ、前記中央制御システムにより、前記特定した物体に近接した位置に前記ハードロボットが移動するように、かつ、前記特定した物体を前記ソフトロボットシステムが掴むように前記ロボット制御システムに命令を出すステップを含んでもよい。
【００４６】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、方法は、前記ロボット制御システムにより、前記流体システムに駆動シーケンスを与えて前記ソフトロボットシステムを制御するステップを含んでもよい。
【００４７】
本明細書で説明している実施形態の幾つかで、前記流体システムはポンプとバルブを備え、方法は、（ａ）バルブを閉じるステップ、（ｂ）ポンプの電源を入れて流体チャネルを加圧するステップ、（ｃ）バルブを閉じた状態でポンプの電源を切るステップ、（ｄ）バルブを開いて収縮させるステップを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
以下の図面を参照して本発明を説明するが、図面は説明目的で用いており、本発明を限定することは意図していない。
【００４９】
【図１】特定の実施形態によるソフトロボットの流体駆動の理を示す。
【図２】開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手とその動作を示す。
【図３】開示している主題についての幾つかの実施形態による、エコフレックスについての応力と歪みとの間の関係を示す。
【図４】開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手の屈曲方向の制御を示す。
【図５】開示している主題についての幾つかの実施形態による、モールドの個々の部分を示す。
【図６】開示している主題についての幾つかの実施形態による、モールドの個々の部分の大きさを示す。
【図７】開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手用のモールドを組み立てるプロセスを示す。
【図８】開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手用のモールドの断面図を示す。
【図９】開示している主題についての幾つかの実施形態による、モールドを用いて軟質触手を製造するプロセスを示す。
【図１０】開示している主題についての幾つかの実施形態による、プラスチック押出し技術を用いて軟質触手を製造するプロセスを示す。
【図１１】開示している主題についての幾つかの実施形態による、エラストマー壁内にチューブを挿入するプロセスを示す。
【図１２】開示している主題についての幾つかの実施形態による、加圧ガス供給源をガス入口に連結する構造を示す。
【図１３】開示している主題についての幾つかの実施形態による、凹凸のある内面を有する容器を示す。
【図１４】開示している主題についての幾つかの実施形態による、凹凸のある表面を有する軟質触手とその動作を示す。
【図１５】開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数節の軟質触手の設計と製造を示す。
【図１６】開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数節の軟質触手を用いて成しうるさまざまな形状を示す。
【図１７】開示している主題についての幾つかの実施形態による、流体搬送ロボットとその利用を示す。
【図１８】開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手を用いた固体材料の移動を示す。
【図１９】開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数の輸送チャネルを有する軟質触手を示す。
【図２０】開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手を用いた溶解粒子の移動を示す。
【図２１】開示している主題についての幾つかの実施形態による、吸引ロボットとその動作を示す。
【図２２】開示している主題についての幾つかの実施形態による、カメラモジュールを有する軟質触手を示す。
【図２３】開示している主題についての幾つかの実施形態による、ニードルを備えた軟質触手を示す。
【図２４】開示している主題についての幾つかの実施形態による、四足の上にカメラが取り付けられた軟質触手を示す。
【図２５】開示している主題についての幾つかの実施形態による径方向撓みアクチュエータを示す。
【図２６】開示している主題についての幾つかの実施形態による、径方向撓みアクチュエータを成形するためのモールドを示す。
【図２７】開示している主題についての幾つかの実施形態による、径方向撓みアクチュエータの把持装置としての利用を示す。
【図２８】開示している主題についての幾つかの実施形態による、径方向撓みアクチュエータを用いた物体（例としてペトリ皿）のマニピュレーションを示す。
【図２９】開示している主題についての幾つかの実施形態による流体吸引デバイスの断面図を示す。
【図３０】開示している主題についての幾つかの実施形態による、ソフトチャンバ用の軟質材料層を成形するためのモールドを示す。
【図３１】特定の実施形態による、流体吸引装置を用いた染色水のマニピュレーションを示す。
【図３２】特定の実施形態による、化学分析用途での流体吸引装置の使用を示す。
【図３３】開示している主題についての特定の実施形態による、ソフトロボットとハードロボットとを統合するロボットシステムを示す。
【図３４】開示している主題についての特定の実施形態による、歩行機械として構成されたアクチュエータと、歩行機械に取り付けられたロボット制御システムを示す。
【図３５】開示している主題についての特定の実施形態による、歩行機械の歩行動作を示す。
【図３６】開示している主題についての特定の実施形態による、脚のパドリング動作を示す。
【図３７】開示している主題についての特定の実施形態による、バンプセンサの設計と配置を示す。
【図３８】開示している主題についての特定の実施形態による、ソフトロボット（ａ）、ソフトロボットの駆動シーケンス（ｂ）、流体ポンプ・バルブ（ｃ）を示す。
【図３９】開示している主題についての特定の実施形態による、ソフトロボットの方向性を持つ歩行動作を示す。
【図４０】開示している主題についての特定の実施形態によるロボット掃除機を示す。
【図４１】開示している主題についての幾つかの実施形態による、ロボット原動機を用いて物体を移動させるプロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
棘皮動物（ヒトデ、ウニ）や刺胞動物（クラゲ）といった生物は、古くから存在すると共に信じられないくらい成功した比較的単純な生物であり、最先端のハードロボットシステムであっても今までにない動きが可能である。自然と最先端のロボットシステムとの間にギャップが生じる主な要因の１つは、ロボティクス用に利用可能な材料を選択する上で厳しい制限があることである。
【００５１】
この自然と最先端のロボットシステムとの間のギャップを埋めるために、ロボットシステムは種々の材料を利用してきた。例えば、ソフトロボットシステムは、軟質材料（軟質エラストマーなど）または可撓性材料（紙やニトリルなど）を用いてその構造を作成できる。これは、“Ｓｏｆｔ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ”と題したＰＣＴ出願（出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０６１７２０）と“Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ”と題したＰＣＴ出願（出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２２５９３）に開示されている。これらの出願は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００５２】
一般に、「ソフト」ロボット、すなわち複数の自由度を与える可撓性コンポーネントを有するロボットは、多くの有用な能力を有する。これらの能力としては、変形する能力、繊細な物体を操作する能力、環境に適合する能力、および、乱雑でありかつ／または構造化されていない環境で移動する能力などが挙げられる。ソフトアクチュエータの可撓性により、ロボティクスにおける問題やアクチュエータの設計に対する有用なアプローチを得ることができる可能性がある。また、ソフトアクチュエータは、駆動に対して高度に非線形な応答をうまく利用して、種々の複雑な動作を達成できると共に、ハードマシンや従来のコントローラを用いては解決するのが困難な課題を比較的単純に解決できる。一つの簡単な例として、可撓性エラストマーをベースとするソフトロボットは、緻密な制御を行うことなく大面積にわたって圧力を分散させることができる。この能力により、ソフトロボットは、脆く不定形の物体を操作できる。この種の設計では、単純な圧力供給源のみを用いて複雑な動きを行うことができる。すなわち、加圧ネットワークの好適な分布、構成および大きさを特定のネットワーク要素の駆動シーケンスと組み合わせることで、生じる動作を決定できる。
【００５３】
本開示は、ソフトロボットシステムに更なる機能を与えると共に、ソフトロボットシステムとハードロボットシステムを統合するための機構を与えるものである。これらの更なる機能と機構は、それ単独で採用されてもよく、または他のソフトロボットアクチュエータ（例えば先の段落で言及されたもの）と組み合わせて採用されてもよい。
【００５４】
開示している主題は、軟質触手を含む。開示した軟質触手によりさまざまな動きが生じうる。例えば、軟質触手により単純な回転動作が生じうる。他の例では、軟質触手により、その触手に沿った局所的な曲率を独立して制御することに基づく複雑な３次元動作が生じうる。幾つかの実施形態では、これらの複雑な動きを用いて、複雑な形状と種々の表面特性（例えば表面抵抗）を有する物体を掴んで操ることができる。他の実施形態では、軟質触手を他の機能的モジュールと組み合わせて用いて、追加の能力を提供できる。機能的モジュールは、流体搬送用のニードル、静止画／動画撮影用のカメラモジュール、物体の持上げ・移動用の吸盤を備えてもよい。他の実施形態では、例えば滑りやすい表面に対する吸着性が向上するように、軟質触手の表面が凹凸を有して（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）いてもよい。
【００５５】
また、開示している主題は、中心点周りの面外撓み（例えば、静止位置での平面構造から駆動位置での凸部または半球位置（ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）への移動）を可能にする径方向撓みアクチュエータを含む。本明細書では、こうした撓みを「径方向撓み」（ｒａｄｉａｌ  ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）と称す。径方向撓みは吸引機構を与えるので、ソフトロボットにおいて有用であることがある。吸引機構は、以下で開示するように、物体の把持、表面に対するロボットの可逆的取付け、流体の収集／搬送、直接または下流での化学分析用の化学的試料収集など多くの用途で利用できる。
【００５６】
また、開示している主題は、１つまたは複数個の多機能ソフトロボットとハードロボットとを統合するハイブリッドロボットシステムを含む。ソフトロボットは多種の複雑な動作を行うことができるが、最新鋭のソフトロボットであっても、ハードロボットが容易に対処可能な課題を抱えることがある。ハイブリッドロボットシステムは、ソフトロボットとハードロボットを、両ロボットが所望の特徴を保持するように動作させることができる。例えば、このロボットシステムは、平坦地上を長い距離にわたって移動するようにハードロボットを用いることができ、激しい表面起伏を有する小領域内でタスクを実行するようにソフトロボットを用いることができる。
【００５７】
ソフトロボットの駆動原理．
幾つかの実施形態では、加圧流体（すなわち、加圧ガスまたは加圧液体）を用いてソフトロボットアクチュエータを駆動できる。流体駆動の原理を図１に示す。剛性は高いが曲げやすいバッキング層１０４を有する軟質ゴム（エラストマー）フォーム１０２内に、チャネル１００が埋め込まれる。膨張が望ましくないネットワークのセクションに用いられる材料には、弾性率の高い材料が求められる。一方、伸長性が必要となるネットワークの材料には、弾性率の低い材料が使用される。加圧流体（すなわち、加圧ガスおよび／または液体）を介してチャネルを加圧する際、ソフトエラストマーのネットワークは膨張する（図１ｂ）。具体的には、加圧時に、最も伸長性の高い領域１０６でチャネルが膨張することになる。チャネルがバルーン状に膨張する際に生じる体積の増加に適合するように、構造はそれに応じて屈曲する。軟質ゴムの膨張には、より剛性の高い歪み制限層の周りで屈曲することで適合する（図１ｃ）。エラストマー体内に埋め込まれたチャネルまたはチャンバの駆動原理に関する更なる詳細は、参照により全体として本明細書に組み込まれる、２０１１年１１月２１日出願のＰＣＴ出願（出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０６１７２０、発明の名称“Ｓｏｆｔ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ”）において説明されている。
【００５８】
本明細書で「剛性」は、加えられた力による変形（例えば延び）に対する弾性体の抵抗を指す。概して、弾性率は剛性に関連する（ただし、同一ではない）。弾性率は構成材料の特性であり、剛性は構造の特性である。すなわち、弾性率は材料の示強的な特性である。これに対して、剛性はネットワークの示量的な特性であり、材料の弾性率と、形状および境界条件に応じたものとなる。剛性はヤング率に応じたものであるので、チャネル壁の相対的な剛性の比較測定値と、チャネルネットワークの加圧時の撓みの予測因子として材料の弾性率を用いることができる。
【００５９】
歪みは、物体の相対的な変位に関する変形を表す。変形は、加えられる力（本明細書では例えば加圧する力）により誘起された応力に起因して生じる。剛性の低い材料または弾性率の低い材料は、弾性率の高い材料よりも大規模に変形することになるので、剛性の低い材料がまず歪み、または変形する。その結果、より剛性の高いまたは弾性率の大きい材料における歪みは、より小さくなりまたは「制限」される。本明細書では、より剛性の高い（例えば、より弾性率の高い）チャネルの層または壁を「歪み制限」層、壁または膜と称す。
【００６０】
軟質触手アクチュエータ．
軟質触手アクチュエータは、それ自身をソフトロボット用途に特に適するようにさせる以下の少なくとも４つの特性を有しうる。ｉ）開示している軟質触手は１メートル当たり１００ｇと軽量である。ｉｉ）開示している軟質触手は、高速駆動（例えば、内径１．５７ｍｍ、長さ２５ｃｍのテザー（紐、ｔｅｔｈｅｒ）を介して搬送される３００ミリバールのガスを用いた０．５秒の完全な駆動）に適合する。ｉｉｉ）開示している軟質触手は、衝撃および落下に起因する損傷に耐性を有する。ｉｖ）開示している軟質触手は、特別な光学的、電気的または機械的な機能を有するコンポーネントの導入、さらに、物体との相互作用を改善させるための表面の改質に適合する。
【００６１】
（軟質触手アクチュエータの構造と特性）
図２は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手とその動作を示す。図２ａは、軟質触手２０２、軟質触手内の流体チャネル２０４、流体チャネル２０４に連結されたガス入口２０６を示す。幾つかの実施形態で、流体チャネル２０４は軟質触手と同軸であってもよく、軟質触手の長さに沿って延びていてもよい。図２ａに示す触手の全長は約１５ｃｍである。流体チャネルの長さは、触手の根元から５ｍｍ離れた位置で開始して、１４ｃｍであってもよい。しかし、触手の長さと流体チャネルの長さは、所望の長さであってよい。
【００６２】
幾つかの実施形態で、軟質触手２０２は、芯構造２０８と表皮構造を備えてもよい。芯構造２０８は、表皮構造に対して歪み制限的であってもよい。言い換えると、芯構造２０８は表皮構造よりも剛性の高い材料で構成されてもよい。図２ａに示すように、芯構造２０８はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いて構成されてもよく、表皮構造はエコフレックスを用いて構成されてもよい。芯構造２０８は任意の好適な形状をとってよい。例えば、芯構造２０８は、円筒形状、直方体形状、三角柱形状、六角柱形状、または、所望の用途に適した他の任意の多角柱形状をとってもよい。
【００６３】
軟質触手２０２は、ガス入口２０６を介して流体チャネル２０４に加えられる流体圧によって駆動されてもよい。ガス入口２０６は、それぞれ複数の流体チャネル２０４の１つに連結可能な３つのノズルを備える。幾つかの実施形態で、各ノズルは独立した圧力供給源に連結されてもよく、これにより流体チャネル２０４の独立した駆動が可能となる。他の実施形態で、各ノズルは同じ圧力供給源に連結されてもよく、これにより流体チャネル２０４を同時に駆動することができる。
【００６４】
図２ｂは、開示している主題についての幾つかの実施形態による、加圧時の流体チャネルの構造変形と応力分布を示す。加圧すると、流体チャネル２０４は、最も柔軟な領域、または、近隣の領域と比べて剛性が低い材料で製造された領域（すなわち、エコフレックスで製造した領域）で膨張する。例えば、流体チャネル２０４の膨張により、ＰＤＭＳの芯構造と接触しないエコフレックスの表皮構造は薄くなる。
【００６５】
加えられた圧力がＰａｔｍからＰＩＩＩまで増加すると、エコフレックスの表皮構造はより薄くなるだろう。図２ｂで、ＰＩは７５ミリバール（ｍｂａｒ）、ＰＩＩは１４９ミリバール（ｍｂａｒ）、ＰＩＩＩは２３１ミリバール（ｍｂａｒ）である。表皮構造は、流体チャネル２０４の対向する２つの壁を非対称に伸ばすことにより薄くすることができる。加えられた圧力が充分に高い（例えば約２３０ミリバール）とき、流体チャネル２０４に近接したエコフレックスの表皮構造は、スナップスルー不安定性（ｓｎａｐ−ｔｈｒｏｕｇｈ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を経て大きく変形する。この変形により、軟質触手２０２は屈曲を開始する。触手の屈曲の程度は、流体チャネル２０４に加える圧力を制御することにより制御できる。図２ｃは、開示している主題についての幾つかの実施形態による軟質触手の屈曲を示す。流体チャネルに加わる圧力の大きさが増大するにつれて、触手の屈曲の程度も増加する。
【００６６】
幾つかの実施形態では、加圧時に軟質触手２０２が触手の末端で屈曲を開始するようにしてもよい。多くの場合、触手の末端で変形を開始させるのに必要な力は、触手の中心で変形を開始させるのに必要な力よりも小さい。それゆえ、図２ｃに示すように、流体チャネル２０４に加えられる圧力が増大すると、軟質触手２０２の末端で屈曲が開始することになる。この構造選択的で局所的な（ｒｅｇｉｏｎａｌ）駆動は、複雑な動作を生み出す多くの有用な非線形性のうちの１つである。
【００６７】
軟質触手２０２の末端がスナップスルー不安定性に達すると、流体チャネル２０４の端部での変形が飽和点に達する。図２ｃに示すように、飽和点に達すると、屈曲動作が触手の根元に向かって伝わり、触手は円状に屈曲を開始する（充分に長い場合には複数回）。
【００６８】
触手の曲率と流体チャネルに加えられる圧力との関係は、数値シミュレーションにより特徴付けることができる。膨張する壁の薄いバルーンについての分析的記述を良好に進めることができるが、複合材構造（例えば軟質触手）の分析的記述については未だ利用可能でない。この問題に対処するために、有限要素解析を用いて、膨張する流体チャネルのシミュレーションを行ってもよい。
【００６９】
有限要素解析は、有限要素ソフトウェアを用いて膨張する流体チャネルの３次元モデルを構築することを含んでもよい。有限要素ソフトウェアはＤａｓｓａｕｌｔ  Ｓｙｓｔｅｍｅｓ社のＡＢＡＱＵＳであってもよい。膨張する流体チャネルの３次元モデルは、スナップスルー不安定性モデルであってもよい。スナップスルー不安定性モデルは、Ｒｉｋｓ法であってもよい。Ｒｉｋｓ法では、流体チャネルの作成に使用する材料をモデル化してもよい。この目的のために、開示している有限要素解析では、せん断弾性率（ｓｈｅａｒ  ｍｏｄｕｌｕｓ）Ｇ＝１．８４ＭＰａの非圧縮性ネオフック（Ｎｅｏ−Ｈｏｏｋｅａｎ）材料としてＰＤＭＳのモデルを作成する。エコフレックスは、アルーダボイス（Ａｒｒｕｄａ−Ｂｏｙｃｅ）材料、すなわち、大きな歪みで硬くなり、スナップスルー不安定性をとるゴム材料としてモデルを作ってもよい。図３は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、一軸応力下でのエコフレックスについての応力と歪みとの間の関係を示す。応力とエコフレックスの歪みとの間の実験的関係は、せん断弾性率Ｇ＝０．０３ＭＰａ、λｌｉｍ＝３．９の非圧縮性アルーダボイス材料としてフィッティングスされている
【００７０】
先の段落で説明したモデルを用いて、触手の曲率と流体チャネルに加えられる圧力との関係のシミュレーションを行うことができる。図２ｄは、シミュレーションにより求めた、触手の曲率と流体チャネルに加えられる圧力との間の関係を示す。図２ｅは、実験により求めた、触手の曲率と流体チャネルに加えられる圧力との間の関係を示す。図２ｄと図２ｅに示すように、シミュレーションにより求めた関係は実験により求めた関係と近い経路を辿っており、これにより有限要素解析の精度が裏付けられる。
【００７１】
幾つかの実施形態で、触手の屈曲方向は個々の流体チャネル２０４の圧力レベルを制御することにより制御できる。図４は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手の屈曲方向が流体チャネルの圧力レベルに応じてどのように変化するかを示す図である。図４の各行は、それぞれ異なる１つの流体チャネルが加圧されたときの触手の屈曲方向を示す。例えば、図４ｂは流体チャネル２０４ａが加圧された際の触手の屈曲方向を示し、図４ｄは流体チャネル２０４ｂが加圧された際の触手の屈曲方向を示し、図４ｆは流体チャネル２０４ｃが加圧された際の触手の屈曲方向を示す。図４ｂ、４ｄ、４ｆの各列は、加えられた圧力の増大に応じた触手の屈曲の程度を示す。図４ｂ、４ｄ、４ｆで、ＰＩは７５ミリバール（ｍｂａｒ）、ＰＩＩは１３０ミリバール（ｍｂａｒ）、ＰＩＩＩは２７０ミリバール（ｍｂａｒ）である。全体として、図４ａ〜４ｆは、触手の屈曲方向が個々の流体チャネルの圧力レベルに依存することを示している。
【００７２】
（製造）
幾つかの実施形態で、軟質触手２０２はモールド（鋳型）を用いて製造されてもよい。モールドは、（例えばＡｌｉｂｒｅ社の）コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ツールを用いて設計されてもよい。設計したモールドは、３次元（３Ｄ）プリンタ（例えばＳｔｒａｔａＳｙｓ社のＤｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｅｌｉｔｅプリンタ）を用いて製造されてもよい。モールドは、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂を用いて印刷されてもよい。
【００７３】
幾つかの実施形態で、モールドは後で組み立てられてモールドを構成する個々のピースとして作成されてもよい。図５は、開示している主題の幾つかの実施形態による、モールドの個々のパーツを示す。モールドは、モールドベース３０２、芯構造テンプレート３０４、流体チャネルテンプレート３０６、容器３０８を含んでもよい。図５に示すパーツは、３次元プリンタを用いてアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂内に作成されてもよい。図６ａは、開示している主題の幾つかの実施形態による、個々のパーツの大きさを示す。図６ａは、モールドベースの寸法を示す。図６ｂは、芯構造テンプレートの寸法を示す。図６ｃは、流体チャネルテンプレートの寸法を示す。図６ｄは、モールドプロセス中にエラストマーを収容するのに使用される容器の寸法を示す。容器の形状は、製造した触手の外形を決定する。図６ｄに示すように、容器は円筒形を有してもよい。容器は、他のさまざまな形状、例えば直方体形状、三角柱形状、六角柱形状、または、所望の用途に適した他の任意の多角柱形状などを有してもよい。図６に示す寸法は、例示的な目的で記載しているに過ぎない。モールドの個々のパーツは、軟質触手の特定の用途に適した種々の大きさと長さで形成されてよい。
【００７４】
図７は、開示している主題の幾つかの実施形態による、個々のパーツからモールド３００を組み立てるプロセスを示す。ステップｉ）で、モールドベース３０２が準備される。ステップｉｉ）で、芯構造テンプレート３０４がモールドベース３０２の上に取り付けられる。ステップｉｉｉ）で、流体チャネルテンプレート３０６がモールドベース３０２の上に取り付けられる。ステップｉｖ）で、容器がモールドベース３０２の上に取り付けられる。
【００７５】
図８は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、組み立てられたモールドの断面図を示す。芯構造テンプレート３０４と流体チャネルテンプレート３０６が、軟質触手について芯構造２０８と流体チャネル２０４の体積を占める。幾つかの実施形態で、芯構造テンプレート３０４は流体チャネルテンプレート３０６よりも充分に厚くてもよい。例えば、芯構造テンプレートの厚さが４ｍｍで、流体チャネルテンプレートの厚さが８００μｍでもよい。モールドの内径により、製造される軟質触手の厚さを制御できる。モールド３００の内径は１２ｍｍでもよい。
【００７６】
幾つかの実施形態で、軟質触手中の流体チャネルの数は、モールド内の流体チャネルテンプレートの数を制御することにより制御できる。幾つかの実施形態で、モールドは２、４、５、６個またはそれ以外の個数の流体チャネルテンプレートを有し、それに対応する数の流体チャネルが軟質触手内に形成されてもよい。幾つかの実施形態で、加圧の際に触手を均一に駆動できるように、モールドテンプレートは回転軸周りに対称に配置されてもよい。幾つかの例で、触手の回転軸は直線であって、その直線の周りに、回転する触手の全固定点が円を描くように移動するものとみなすことができる。例えば、触手が円筒形状を有する場合、触手の回転軸は、触手の断面中心に一致する点群であってもよい。
【００７７】
図９は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、モールドを用いて軟質触手を製造するプロセスを示す。軟質触手は、エラストマーのような軟質材料を用いて作成されてもよい。エラストマーは、例えばエコフレックスやポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であってもよい。
エコフレックスは、次の手順を用いて準備してもよい。エコフレックスの前駆体、例えばエコフレックス００−３０前駆体は、Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．  ｓｍｏｏｔｈ−ｏｎ．ｃｏｍ）で入手できる。入手したエコフレックス前駆体を１：１の体積比で混合し、得られたプレポリマーを３６Ｔｏｒｒのデシケータ内で５分間脱気し、気泡を取り除く。次に、エコフレックスを６０℃で約１５分から３０分間硬化させる。
ＰＤＭＳは、次の手順を用いて準備してもよい。ＰＤＭＳの前駆体は、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社から入手できる。ＰＤＭＳの前駆体と架橋剤を１０：１の重量比で混合する。得られたプレポリマーを３６Ｔｏｒｒで３０分間脱気し、気泡を取り除くと共に、前駆体と架橋剤とを確実に充分に混合する。プレポリマーの混合物を６０℃で２時間硬化させる。この硬化時間により、ＰＤＭＳをエコフレックスと接触させて硬化させる際に、得られるＰＤＭＳとエコフレックスとを確実に良好に結合させることができる。
【００７８】
エコフレックスとＰＤＭＳを準備すると、以下のプロセスを用いて軟質触手を製造してもよい。図９ａに示す第１ステップでは、モールド３００をエコフレックスで充填し、エコフレックスを６０℃で１５分間硬化させる。第２ステップでは、エコフレックスを室温まで冷却し、中央チャネルテンプレートを取り除いて、エコフレックスの中心に空洞部分を形成する。図９ｂに示す第３ステップでは、その空洞部分にＰＤＭＳを注ぐと共に、ＰＤＭＳとエコフレックスが互いに結合するように６０℃で２時間硬化させる。第４ステップでは、モールドから複合材構造を徐々に引き出して、複合材構造を取り除く。図９ｃは、得られる複合材構造を示す。得られる複合材構造は、中央のＰＤＭＳの芯構造２０８と平行に延びる流体チャネルを有する。製造の最後のステップでは、複合材構造の両端を封止して、軟質触手を形成する。幾つかの例では、複合材構造の両端を封止するときに、エコフレックスのプレポリマーを用いて両端を封止してもよい。エコフレックスのプレポリマーを用いて両端を封止するときには、エコフレックスを６０℃で１５分間硬化させてもよい。
【００７９】
図示したモールドプロセスにより、全体の厚さが１ｍｍより大きく、典型的には厚さ５ｍｍ〜５ｃｍのデバイスを製造できる。例示的な厚さは、例えば２ｍｍ〜４ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍまたは５ｃｍである。（例えば従来のフォトリソグラフィ技術により得られる外形と比べて）比較的大規模な加圧ネットワークにより、機能的デバイスの製造を大規模に行うことができる。ソフトロボット内の埋め込みチャネルネットワークは大規模なものに限定されず、従来のマイクロ製造技術を用いてソフトロボットをサブミリメートルスケールで開発できると考えられる。
【００８０】
幾つかの実施形態では、プラスチック押出し技術を用いて軟質触手を製造してもよい。図１０は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、プラスチック押出し技術を用いて軟質触手を製造するプロセスを示す。図１０ａは、プラスチック押出し機１００２を示し、図１０ｂは、プラスチック押出し機１００２の断面図を示す。プラスチック押出し機１００２は、ポリマーを固体構造体に変えることができる。このプロセスは、（１）液状または高粘性（ｖｉｓｃｏｕｓ  ｆｏｒｍ）ポリマーをホッパー１００３に付与するステップ、（２）スクリュードライバモータ１０１０を用いて、チューブ１００６と中央のねじ１００８との間の空間に沿って、チューブ１００６を通じて液状／高粘性ポリマーを押し出すステップ、（３）ポリマーを固体に「なる直前」まで硬化させるステップ、（４）ポリマーが完全に硬化して所望の形状を成すように、その所望の形状を有するダイ１０１２にポリマーを供給するステップを含んでもよい。ダイ１０１２は、所望の触手構造のネガ（ｎｅｇａｔｉｖｅ）インプリントを有してもよい。例えば、ダイ１０１２は図７のモールド形状をとってもよい。幾つかの例で、硬化させるステップは、ポリマーの温度を下げるステップ、ポリマーに選択的に熱を加えるステップ、ポリマーと硬化剤とを混合するステップ、ポリマーを酸素および／または他のガスに曝露するステップ、ポリマーを紫外線に曝露するステップ、ポリマーを触媒に曝露するステップを含んでもよい。ポリマーとしては、プレポリマー、ポリアクリレート、ポリウレタン、樹脂、ゴム（ｇｕｍ，  ｒｕｂｂｅｒ）などが挙げられる。
【００８１】
幾つかの実施形態で、流体チャネル２０４はガス入口２０６を介して加圧されてもよい。ガス入口２０６は、チューブを介して流体チャネル２０４に連結されてもよい。幾つかの実施形態で、チューブはポリエチレンを用いて構成されてもよい。チューブと流体チャネル２０４とを連結するために、チューブは軟質触手のエラストマー壁内に挿入されてもよい。図１１は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、エラストマー壁内にチューブを挿入するプロセスを示す。図１１ａ、１１ｂに示すように、カニューレとチューブが準備される。チューブがカニューレ内に嵌合できるように、カニューレの内径がチューブの外径より大きくてもよい。幾つかの実施形態で、カニューレの内径は１．６５ｍｍであり、チューブの外径は１．６２ｍｍであるが、カニューレおよび／またはチューブについて他の任意の大きさを用いてもよい。図１１ｃに示すように、チューブをエラストマー壁内に挿入するステップは、カニューレをエラストマー壁内に挿入するステップ、チューブがエラストマー壁を通過するようにチューブをカニューレ内に挿入するステップ、カニューレを取り除くステップを含んでもよい。エラストマー壁は軟らかいので、エラストマー壁がチューブを包み込んで気密封止することができる。
【００８２】
幾つかの実施形態で、ガス入口２０６は、ニードルを用いて形成されてもよい。このニードルは、加圧ガスを流体チャネル２０４に提供するようにチューブに堅く連結されてもよい。図１２は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、加圧ガス供給源をガス入口に連結する構造を示す。開示している主題についての幾つかの実施形態によれば、図１２ａに示すように、幾つかの例で、加圧ガスはシリンジ１２０２により供給されてもよい。ニードルは、加圧ガスを受けるようにシリンジ１２０２に単純に連結されてもよい。図１２ｂに示すように、他の例で、加圧ガスはガス供給源１２０４により供給されてもよい。ニードルは、コネクタ１２０６に連結されてもよく、さらにコネクタ１２０６を介してガス供給源１２０４から加圧ガスを受けることができるホースに連結されてもよい。
【００８３】
幾つかの実施形態で、芯構造２０８は、軟質触手に連結された機能的モジュール用のテザーを備えてもよい。以下で説明するように、軟質触手は他の機能的モジュール、例えば吸引モジュール、カメラ、および医療用装置などに連結されてもよい。芯構造２０８を用いて、機能的モジュールを軟質触手および／または外部装置（例えばコンピュータ）に結合するためのテザーを埋め込んでもよい。テザーは、機能的モジュールまたは機能的モジュールを制御する流体チャネルに電力を供給する電力線を含んでもよい。
【００８４】
（用途）
軟質触手は、さまざまな用途に使用できる。軟質触手は、その表皮と他の物体とを接触させることにより、その物体と相互作用することができる。例えば、対象の物体の周りに触手を巻き付けると共に触手を持ち上げることにより、軟質触手を用いて物体を掴むことができる。
【００８５】
幾つかの実施形態で、軟質触手の表皮構造は、触手と他の物体との相互作用の程度を大きくするように、特定の用途に合わせて調整されてもよい。例えば、滑らかなまたは滑りやすい物体を掴む用途で軟質触手を用いる場合、触手の表面は握力が向上するように調整されてもよい。幾つかの例で、触手の表面は、触手の製造に用いられるモールドを改質することにより操作されてもよい。図１３は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、蛇腹表皮構造を有する触手を製造するための、凹凸のある内面を有する容器を示す。蛇腹表皮構造を有する触手は、同じ材料からなる平面よりも適合性が高く、また、静止摩擦を大きくすることができる。図１３ａは、容器１３０２の外観図を示すところ、凹凸のある内面を有しない容器と差はない。図１３ｂは、容器１３０２の内面を示す。この内面は蛇腹構造１３０４を有し、これにより触手の表面に蛇腹構造が形成されることになる。図１３ｃ、ｄは、容器１３０２の寸法を示す。図１３ｃは、容器１３０２の断面寸法を示す。図１３ｄは、容器１３０２の寸法を透視図で示す。これらの寸法は例示的な目的で記載しているに過ぎない。容器と容器内の蛇腹構造は、得られる触手の特定の用途に適した種々の大きさに形成されてよい。
【００８６】
図１４は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、凹凸のある表面を有する軟質触手とその動作を示す。図１４ａに示すように、凹凸のある軟質触手１４０２は、表面に蛇腹構造を有してもよい。図１４ｂは、表面の蛇腹構造を拡大して示す。幾つかの実施形態で、凹凸のある触手は、厚さが同じ平面触手よりも適合性が高い。この理由は、第１に、凹凸のある触手は、平面触手と比較して表皮構造のエラストマー量が少ないからであり、第２に、凹凸のある表面の各頂部が触手の変形を支援するからである。
【００８７】
凹凸のある軟質触手は、平面軟質触手よりも良好に物体を掴むことができる。例えば、図１４ｃ〜ｆに示すように、凹凸のある軟質触手はゼラチンでコーティングされた平坦なレンチを掴むことができる。ゼラチンコーティングは滑りやすいので、平面軟質触手ではこの作業が難しい可能性がある。図１４ｇは、凹凸のある軟質触手が滑りやすいレンチをどのように掴むのかを示す接写画像である。
【００８８】
幾つかの実施形態で、軟質触手はその長さに沿って延びる複数節（セクション、ｓｅｃｔｉｏｎ）の流体チャネルを備えてもよい。図１５は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数節の軟質触手の設計と製造を示す。図２、４、１４に示すように、触手が単一節の流体チャネル（例えば、触手の先端から末端まで延びる流体チャネル）を有する場合、触手は単一の屈曲モードを有する。一方、触手が複数節の流体チャネルを有する場合、触手は更なる屈曲モードを有し、これにより複雑な動作が可能となる。幾つかの実施形態で、２つ以上の節を有する流体チャネルは、縦方向に並べられてもよい。例えば、軟質触手が縦方向に保持される（すなわち、長手方向が垂直軸に沿っている）場合、２つ以上の節を有する流体チャネルが縦方向に並べられてよい。
【００８９】
図１５ｃは、４つの節を有する触手を示しており、触手の各節は、回転軸周りに対称に配置された３つの流体チャネルを備える。４つの節を有する流体チャネルは、縦方向に並べられてもよい。各節における各流体チャネルは、各々のガス入口を用いて独立して制御されてもよい。４つの節があって各節は３つの流体チャネルを有しているので、図１５ｄに示すように複数節触手について１２個の独立したガス入口が存在する。独立したガス入口により、触手の各節を独立して制御し、触手に複雑な動作をさせることができる。
【００９０】
図１５ａ〜ｃは、開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数節の軟質触手を製造するプロセスを示す。最初のステップでは、例えば図９に示すプロセスを用いて、単一節の軟質触手を準備する。第２のステップでは、図１５ａに示すように、流体チャネル内に小さいチャンバ１５０２を作る。チャンバ１５０２は、流体チャネルの残りの部分から分離されてよい。幾つかの実施形態で、チャンバ１５０２を作るステップでは、触手の周りにジップタイを巻き付けてもよい。触手の周りに２つのジップタイが堅く巻き付けられる場合、２つのジップタイの間の空間をチャンバ１５０２としてもよい。
【００９１】
図１５ｂに示すように、第３のステップでは、軟質材料を用いてチャンバ１５０２を充填する。この軟質材料は、触手の表皮構造を構成するのに使用される軟質材料と実質的に同一の材料であってもよい。幾つかの実施形態で、軟質材料はエコフレックスプレポリマーを含んでもよい。幾つかの実施形態で、チャンバ１５０２を充填するステップでは、シリンジを用いて軟質材料をチャンバ１５０２まで搬送してもよい。次のステップでは、搬送された軟質材料を６０℃で１５分間硬化させ、流体チャネルの節の間に頑丈な壁を形成する。図１５ｃに示すように、第４のステップでは、分割された流体チャネル１５０４にチューブ１５０２を接続する。幾つかの実施形態で、分割された流体チャネル１５０４にチューブ１５０２を接続するステップでは、芯構造２０８を介してチューブ１５０２を触手に導入してもよい。芯構造２０８は表皮構造と比べて剛性の高い材料を用いて形成できるので、芯構造は屈曲するが膨張しないようにすることができる。それゆえ、芯構造２０８を介してチューブ１５０２を導入することにより、触手の移動がチューブ１５０２により妨げられないようにすることができる。図１５ｄは、開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数節の触手の断面図を示す。ＰＤＭＳを用いて形成される芯構造２０８は、流体チャネル１５０４の個々の節に結合された複数のチューブ１５０２を含んでいる。
【００９２】
ソフトアクチュエータが数個の単純なオン／オフ流体バルブのみを用いて制御される場合であっても、ソフトアクチュエータの可撓性と変形能により複雑な動作が得られる。図１６は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、３節の軟質触手を用いて成しうるさまざまな形状を示す。各流体チャネルの節を独立して加圧できるので、触手は複雑な形状を成すことができる。
【００９３】
複数節の触手は、さまざまな用途に利用できる。幾つかの実施形態で、複数節の触手は、壊れやすい物体を操作することができるように制御されてもよい。図１６ｂ〜ｄに示すように、複数節の触手における異なる節を膨張させ、物体を掴んで保持できる。
【００９４】
幾つかの実施形態で、複数節の触手は、所定の経路で特定の物体を移動させてもよい。幾つかの例では、複数節の触手における異なる節に特定の種類の動作をさせてもよい。例えば、触手の第１節は垂直に動作するように駆動してもよく、触手の第２節は平面的に動作するように駆動してもよく、触手の第３節は把持を行うように駆動してもよい。
【００９５】
幾つかの実施形態では、流体および／または固体粒子を移動させるための輸送チャネルを増やして軟質触手を拡張してもよい。輸送チャネルは、触手の一端から他端まで特定の材料を受容または搬送できる。輸送チャネルは、触手内に埋め込まれたチューブであってもよい。幾つかの実施形態で、輸送チャネルは、触手の芯構造内に埋め込まれたチューブであってもよい。幾つかの実施形態では、２種類の輸送チャネル、すなわち搬送チャネルとポンプチャネルが存在してもよい。搬送チャネルは、リザーバから触手の末端まで、ガス、液体、コロイド懸濁液またはエアロゾルが流れることができるチューブである。減圧を行うチャネルは、触手の長さを通じて、液体または固体をリザーバ内に収集できるようにくみ上げることができる。（掃除機のような）減圧を行うチャネルはその径よりも径が大きい個体をくみ上げることができないところ、まずこの固体を溶解させ、チャネルが溶解した固体と、部分的に溶解してチューブよりも径が小さくなった固体片を含む液体をくみ上げることにより、この問題に対処している。
【００９６】
幾つかの実施形態で、輸送チャネルを有する軟質触手は、流体搬送ロボットとして動作してもよい。図１７は、開示している主題の幾つかの実施形態による、ポリスチレンフォームの箱内に入っている電気的システムの動作を停止させる流体搬送ロボットの利用を示す。図１７ａ〜ｄは、その利用のセットアップを示す。図１７の電気的システム１７０２は、電源装置（図示せず）、発光ダイオード（ＬＥＤ）１７０４、電線１７０６を含む。非駆動状態では、図１７ａに示すように、電線１７０６は電源装置（例えばバッテリ）からＬＥＤ１７０４を切り離している。一方、駆動状態では、図１７ｂに示すように、電線１７０６はＬＥＤ１７０４と電源装置とを接続する。それゆえ、電線１７０６の接続状態により、電気的システム１７０２の状態が決定する。
【００９７】
この電気駆動システムは、図１７ｃ、ｄに示すように、ポリスチレンフォームの箱の中に配置されている。流体搬送用軟質触手は、ポリスチレンフォームの箱内に入り込んで電気駆動システムの動作を停止させる作業を行う。流体搬送用軟質触手は、ＬＥＤ１７０４と電源装置とを接続する電線１７０６を切断することにより、作業を行うことができる。
【００９８】
図１７ｅ〜ｈは、流体搬送用軟質触手１７０８がどのように作業を行うかを示す。図１７ｅで、流体搬送用軟質触手１７０８は、箱の上の所望の位置に液体を搬送できるように、末端を適切な位置に配置する。触手１７０８が適切な位置に配置されると、触手１７０８は箱を溶解させる液体を受ける。例えば、触手１７０８は、外部の供給源からアセトンを受け、輸送チャネルを介して箱の上にアセトンを搬送してもよい。図１７ｆは、搬送された液体を用いて触手１７０８が箱の大部分を溶解し、触手１７０８が入ることができる穴が形成されている様子を示す。図１７ｇで、触手１７０８は、巻かれた状態からまっすぐに延びて、空いた穴を介して箱に入る。次に、触手１７０８は、電線１７０６を溶解させる液体を注ぐことにより、電線１７０６を切断してもよい。例えば、触手１７０８は濃硝酸（ＨＮＯ３）を電線１７０６の上に注いてもよい。図１７ｈで、触手１７０８は最終的に濃硝酸を用いて電線１７０６を溶解し、ＬＥＤ１７０４と電力装置との間の電気接続を切断する。電気接続が切断されるので、ＬＥＤ１７０４の電源は切られ、電気システムは動作を停止する。図１７は、軟質触手１７０８を、人間が物理的に介入するには安全でない環境で使用できることを示す。さらに、図１７は、軟質触手１７０８を用いて有害な流体を搬送できることを示す。図１７は、特定の作成シナリオ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｓｃｅｎａｒｉｏ）での流体搬送ロボットの利用を示すところ、電気的システムを解体する流体搬送ロボットを使用するというコンセプトはさまざまなシナリオ（爆弾解体や危険領域探索など）で利用できる。
【００９９】
幾つかの実施形態で、輸送チャネルを有する軟質触手は固体材料を移動させてもよい。図１８は、本開示の主題の幾つかの実施形態による、軟質触手を用いた固体材料の移動を示す。輸送チャネル１８０２を有する軟質触手を配置して、ペトリ皿の上で固体材料１８０６を吸入してもよい。例えば、輸送チャネル１８０２の一端は、空気吸込を実現して軟質材料１８０６を吸入できるようにする吸引機に連結されてもよい。幾つかの実施形態で、触手の輸送チャネル１８０２は、吸入された固体材料を受けることができる容器１８０４にチューブを介して連結されてもよい。容器１８０４は三角フラスコであってもよい。また、容器１８０４は、空気吸込を可能にする吸引機（図示せず）に連結されてもよい。図１８に示すように、図示しているシステムを用いて粒状媒質（例えば色づきのガラスビーズ）を吸入してもよい。
【０１００】
図１８ａでは、触手１８０２を駆動して、固体材料１８０６の上に触手１８０２の末端が配置される。このステップでは、分割された複数の流体チャネルのうち幾つかを同時に駆動することにより、軟質触手１８０２を巻かれた状態からまっすぐに延ばしてもよい。図１８ｂでは、触手１８０２の末端が固体のターゲット材料１８０６の上に配置される。図１８ｃで、触手１８０２は、輸送チャネルを通じて固体材料１８０６の吸入を開始する。容器１８０４内で、吸入された固体材料が視認できる。触手１８０２の末端がペトリ皿の周りを移動するように駆動して、触手１８０２がすべての固体材料１８０６を確実に吸入するようにしてもよい。図１８ｄで、触手１８０２は、すべての固体材料１８０６が吸入されるまで吸入を続ける。触手１８０２は、吸入プロセス中に移動可能であるので、相当大きい面積に広がった固体材料を迅速に吸入できる。
【０１０１】
幾つかの実施形態で、軟質触手は輸送チャネルを時分割（ｔｉｍｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）してもよい。例えば、軟質触手は、第１の時点で輸送チャネルを用いて流体を搬送し、続けて第２の時点で同じ輸送チャネルを用いて固体粒子を吸入してもよい。
【０１０２】
幾つかの実施形態で、軟質触手は、複数の輸送チャネルを含んでもよい。幾つかの例で、各輸送チャネルは特定の機能を果たすように調整されてもよい。図１９は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、複数の輸送チャネルを有する軟質触手を示す。図１９ａは、３つの輸送チャネルを有する軟質触手１９０２の断面図である。芯構造内に埋め込まれた輸送チャネル１９０４が空気を移動させるように用いられ、他の輸送チャネル１９０６、１９０８が液体を移動させるように用いられてもよい。液体輸送チャネル１９０６、１９０８は、２つのポリエチレンチューブを用いて構成されてもよい。図１９ｂは、液体輸送チャネル１９０６、１９０８を介した液体の搬送を示す。
【０１０３】
幾つかの実施形態で、複数の輸送チャネルを有する軟質触手１９０２は、相当大きい固体粒子を移動させるように用いられてもよい。図１８に示すような幾つかの例では、中央の輸送チャネルを通じた大きい粒子の輸送は、頻繁に目詰まりが起こって困難になる可能性がある。例えば、直径１ｍｍを超える粒子の輸送は困難である可能性がある。こうした粒子を輸送するため、粒子が可溶性である場合、触手１９０２はまず粒子を液体に溶解させ、次に溶解した粒子を移動させてもよい。このメカニズムは、目詰まりを低下させるのに有用であろう。
【０１０４】
幾つかの実施形態で、軟質触手は、液体を用いて固体粒子を溶解させると共に溶解した固体粒子を輸送するか、固体粒子を液体内に懸濁することにより固体粒子を輸送してもよい。図２０は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手を用いた溶解粒子の移動を示す。図２０ａに示すように、触手１９０２の中央の輸送チャネル１９０４は容器１８０４に連結され、触手１９０２の輸送チャネル１９０６、１９０８は、液体供給源（図示せず）に連結される。容器１８０４は三角フラスコであってもよい。触手１９０２は、積まれた１〜３ｍｍの塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）結晶の山を移動させる作業を行う。
【０１０５】
図２０ａで、ターゲット粒子２００２の上で末端を適切な位置に配置するように触手１９０２を駆動する。図２０ｂで、同じ触手１９０２は、輸送チャネル１９０６、１９０８を介してターゲット粒子２００２に溶液（または水）を搬送してターゲット粒子２００２を溶解させる。幾つかの例で、粒子の溶解性を大きくするために、搬送された水は例えば６０℃まで加熱されてもよい。図２０ｃで、触手１９０２は、水を搬送しつつ、空気輸送チャネル１９０４を介して、溶解した粒子を吸入する。幾つかの例で、触手１９０２は、水の搬送と溶解粒子の吸入を同時に行ってもよい。図２０ｄで、触手１９０２は残りを吸入すると共に粒子２００２の移動を完了する。幾つかの例で、固体粒子は完全には溶解しなくてもよく、代わりに溶液中に懸濁してもよい。そうした場合であっても、触手１９０２は懸濁粒子を吸入してある場所から別の場所へと移動させることができる。
【０１０６】
幾つかの実施形態で、軟質触手は他のロボット要素と協働して更なる機能を与えることができる。例えば、触手は、吸盤に結合されてもよい。図２１は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、吸引ロボットとその動作を示す。図２１ａに示すように、吸引ロボットは軟質触手２０２と吸引モジュール２１０２を備えてもよい。軟質触手２０２は、吸引チャネルとして利用可能な輸送チャネルを備えてもよい。吸引チャネルは、吸引モジュール２１０２に連結されてもよい。吸引チャネルは、それを通じて空気吸入することにより、外部の圧力供給源が吸引モジュール２１０２を駆動するのを可能にする。幾つかの実施形態で、吸引チャネルは芯構造内に埋め込まれてもよい。吸引チャネルは、機械式ポンプ、真空ライン、または他の減圧源に連結された吸引チャネル口２１０４を用いて制御されてもよい。触手２０２内の流体チャネルは、動作チャネル口２０６を用いて制御されてもよい。吸引チャネルは、動作のために、ガス供給源（ガスコンプレッサのような）または減圧源（機械式ポンプ、真空ライン、掃除機のような）に連結されてもよい。
【０１０７】
図２０ｂ〜ｅに示すように、幾つかの例で、吸引ロボットは物体２１０６（例えば液体のボトル）を持ち上げるのに使用されてもよい。軟質触手２０２は、図２１ｂに示すように吸引モジュール２１０２を物体２１０６の上に配置するように駆動されてもよい。図２１ｃに示すように、吸引モジュール２１０２が物体２１０６の上に配置されると、吸引モジュール２１０２を駆動して物体２１０６の上に堅く結合させることができる。次に、図２１ｄに示すように、軟質触手２０２は巻き付くように駆動され、これにより物体２１０６につり上げ力が加わる。幾つかの例で、物体２１０６を持ち上げる距離は、軟質触手２０２に加わる圧力を制御することにより制御されてもよい。例えば、図２１ｅに示すように、軟質触手は、さらにつり上げ力が増大して物体２１０６をさらに高く持ち上げるように駆動されてもよい。
【０１０８】
軟質触手は、他の要素と協働し、バイオメディカル用途にとって有用な機能を与えることができる。例えば、医師は、外科手術中に軟質触手を用いて水をターゲット領域に供給し、例えば血の塊を洗い流してもよい。また、医師は、外科手術中に同じ触手を用いて廃棄物を収集してもよいところ、これは、輸送チャネルを通じてまたは触手の転動により廃棄物を把持することにより行うことができる。幾つかの例で、医師は、複数の輸送チャネルを有する軟質触手を用いて、水を提供すると同時に廃棄物を収集してもよい。幾つかの例で、医師は、複数節の軟質触手を用いて、関心領域を回避すると共に所望の位置で流体を出入りさせてもよい。
【０１０９】
幾つかの実施形態で、軟質触手は、静止画／動画を撮影するカメラモジュールを備えてもよい。カメラモジュールを有する軟質触手は、容易には接近できない身体部分の静止画／動画を撮影する内視鏡として配置されてもよい。例えば、軟質触手ベースの内視鏡は、大腸内視鏡検査または消化管内視鏡検査に使用されてもよい。軟質触手ベースの内視鏡には、従来の内視鏡と比較して多くの利点がある。例えば、屈曲の程度の大きさに起因して、軟質触手ベースの内視鏡は、身体内で制御動作を可能にするが、従来の内視鏡ではこれは困難である。機能的コンポーネント（例えば、ビデオカメラ、流体搬送用チューブ、吸引チャネル）をこれらのアクチュエータ内に埋め込むことにより、これらの軟質内視鏡の能力が広がる。さらに、軟質触手は、本質的に軟らかく、動作中の煩わしさが低い。軟質触手のエラストマーの表皮は、種々の溶媒、基礎原料（ｂａｓｉｓ）および酸に対して化学的な耐性を有する。これにより、これらの内視鏡を化学的にアグレッシブな媒質（消化管や厳しい工業検査環境）で使用する場合、従来のホース型内視鏡よりも適したものとなる。
【０１１０】
軟質触手の中央チャネルを用いて、特殊な光学的、電気的または機械的な機能を有するコンポーネントを保持してもよい。図２２は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、カメラモジュールを有する軟質触手を示す。軟質触手は、単一節の流体チャネルまたは複数節の流体チャネルを含んでもよい。カメラモジュール２２０２は、触手の末端に結合されてもよい。触手の中央チャネルに沿ってカメラとワイヤを導入した後に中央チャネルの残りの部分をエラストマーで充填してもよく、エラストマーを硬化させた後にカメラは軟質触手と一緒に全体として移動する。カメラモジュール２２０２は、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサであってもよく、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサであってもよい。カメラモジュール２２０２は、電線を介してコンピュータおよび／または電力装置に結合されてもよい。幾つかの実施形態で、電線は触手の芯構造内に埋め込まれてもよい。例えば、電線は中央チャネルに沿って挿入されてＰＤＭＳを用いて適当な位置に接着されてよい。熱硬化ステップによるビデオカメラに対する損傷を避けるために、ＰＤＭＳを室温で４８時間硬化させた。
【０１１１】
幾つかの実施形態で、触手は２つの節を含んでもよい。テザーに最近接した触手の節は、屈曲して触手のベースを形成し、カメラモジュール２２０２を有する他の節を面外に持ち上げて所望の方向に向けることができるようにしてもよい。
【０１１２】
幾つかの実施形態で、カメラモジュール２２０２を有する軟質触手は、ソフトロボットの上に取り付けられてそれに視覚を与えてもよい。軟質触手は、カメラモジュール２２０２を任意の所望の方向に向けることができるように構成されてもよい。図２４は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、ソフトロボットの上に取り付けられた軟質触手を示す。図２４は、４足のソフトロボット２４０２とカメラモジュールを有する軟質触手２４０４とを含んでいる。４足のソフトロボット２４０２は、加圧により独立して駆動可能な複数のアクチュエータを含んでもよく、軟質触手２４０４はカメラモジュール２２０２を含んでもよい。図２４に示すように、４足のソフトロボット２４０２とカメラモジュールを有する軟質触手２４０４は、独立して制御可能である。これにより、軟質触手は、４足のソフトロボット２４０２に対して約３６０°の視野を与える。
【０１１３】
幾つかの実施形態で、軟質触手は、特定の外科手術を患者に対して行うことができる装置を含んでもよい。この装置としては、はさみ、ナイフ、クランプ、クリップ、ディキャピテータ（ｄｅｃａｐｉｔａｔｏｒ）、鉗子、マイクロディセクタ、外科用メス、ピンセット、または針などが挙げられる。特定の例として、図２３は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、流体搬送用の皮下注射針（２２  Ｇ１１／２）を備えた軟質触手を示す。ポリエチレンチューブの端部に皮下注射針を接続し、続いて触手の中央チャネルを通じてそれを導入した。中央チャネルをエラストマーで充填し、流体搬送チャネルを固定した。針２３０２は、触手の輸送チャネルに連結されてもよい。それゆえ、針２３０２を用いて所望量の流体を所望の位置に搬送できる。例えば、医師は、軟質触手を用いて針２３０２を所望の位置に移動させることができ、針２３０２を用いて所望量の流体を所望の位置に搬送できる。
【０１１４】
径方向撓みアクチュエータ．
径方向撓みアクチュエータについての幾つかの実施形態は、埋め込まれた流体チャネルのネットワーク（例えば、空気圧ネットワーク）を有する軟質材料を含んでもよい。こうしたソフトロボットは、中心点の周りに径方向に配置された複数の流体チャネルを含み、これによりロボットは、静止時にチャネルを格納する面の外へ上向きに撓む。幾つかの実施形態で、チャネルは、デバイスの仮想的な中心点の周りに曲率半径を有する弧状のチャネルを形成する。幾つかの実施形態で、チャネルは、デバイスの中心点の周りに配置された弧、半円、円などを形成する。流体で加圧するとき、径方向に配置された流体チャネルは、アクチュエータが屈曲して半球状となるように膨張し、これによりアクチュエータが径方向に屈曲するようにしてもよい。
【０１１５】
図２５は、開示している主題についての幾つかの実施形態による径方向撓みアクチュエータを示す。図２５Ａに示す径方向撓みアクチュエータ２５００の平面図は、可撓体２５０４内に埋め込まれた流体チャネル２５０２を示す。可撓体２５０４は、軟質材料を用いて構成されてもよい。この特定の実施形態で、流体チャネル２５０２は同心円状に配置されている。ただし、上記の通り、チャネルは中心点周りに径方向に配置された他の形状または配置をとってもよい。流体チャネル２５０２は、可撓性であるが比較的伸長性の低い層を用いて底部（図示せず）から遮断されてもよい。この層は、流体チャネル２５０２の上層を覆う軟質材料に対して歪み制限的である。
【０１１６】
図２５Ｂは、図２５Ａで開示している実施形態に係る径方向撓みアクチュエータの断面図を示す。図示している断面図は、点線２５０６に沿って切ったものである。この断面図は、流体チャネル２５０２および可撓体２５０４、可撓体２５０４と同じ軟質材料を用いて構成された流体チャネル２５０２の上層２５０８、および流体チャネル２５０２を封止する歪み制限層２５１０を示す。図２５Ｂは、緩和状態の径方向撓みアクチュエータ２５００を示す。緩和状態（ｒｅｌａｘｅｄ  ｓｔａｔｅ）は、流体チャネル２５０２内の圧力が周囲圧力Ｐａｍｂと実質的に等しい（図１Ａ）状態である。流体チャネル２５０２は加圧されていないので、アクチュエータ２５００は平坦であり撓んでいない。
【０１１７】
図２５Ｃは、図２５Ａに開示された実施形態に係る、加圧状態の径方向撓みアクチュエータの断面図を示す。断面図は点線２５０６に沿って切られたものである。幾つかの実施形態で、流体チャネル２５０２は、Ｘで示される加圧口（ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｉｎｇ  ｉｎｌｅｔ）２５１２を通じて加圧されてもよい。ただし、加圧口は、どこに配置されてもよい。流体チャネル２５０２を加圧するとき、流体チャネル２５０２は上層２５０８を膨張させると共に、歪み制限層２５１０の周りで屈曲する。屈曲動作は全径方向断面に沿って得られるので、アクチュエータ２５００は撓むと凸状または半球形状を成し、これによりアクチュエータ２５００に径方向撓みが生じる。
【０１１８】
幾つかの実施形態で、流体チャネル２５０２は、種々の形状を成すように構成されてもよく、さらに径方向撓み動作を与えるようにしてもよい。幾つかの実施形態で、チャネルは、デバイスの仮想の中心点周りに曲率半径を有する弧状のチャネルを形成する。幾つかの実施形態で、チャネルは、デバイスの中心点の周りに配置された弧、半円、円などを形成する。例えば、流体チャネルは、同心三角形、同心四角形、同心五角形、および他の任意の同心多角形として構成されてもよい。流体チャネルが形作る多角形が正多角形であるとき、径方向撓み動作は等方的である。多角形が正多角形でないときには、径方向撓み動作は等方的でない。
【０１１９】
幾つかの実施形態で、本明細書で用いられる材料のチャネルは、ソフトリソグラフィを用いて製造されてもよい。チャネルをシリコーン群や他のエラストマーで構成することは、ソフトリソグラフィやマイクロ流体工学の分野ではよく知られ、広く利用されている技術であると共に、ソフトロボットの加圧ネットワークの構築に利用できる。
【０１２０】
他の実施形態で、アクチュエータ２５００はモールド成形されてもよい。構造において所望の外形を有するネガのレプリカを含むモールド内にエラストマー材料をキャストすることにより、加圧式ネットワークを準備する。図２６は、図２５の実施形態による、径方向撓みアクチュエータを成形するためのモールドを示す。このモールドは、アクチュエータ２５００の「ネガ」構造を画定する。例えば、隆起した壁２６０２は、流体チャネル２５０２用の空間を画定し、壁２６０２により形成されるトレンチ２６０４は、可撓体２５０４用の空間を画定する。また、壁２６０２に連結された隆起構造２６０６は、加圧流体を供給するための導管を形成する。このモールド内に軟質材料をキャストすることにより、流体チャネル２５０２が埋め込まれた可撓性の成形体２５０４が得られる。軟質材料を成形して可撓性の成形体２５０４とした後、図２５に示すように、開示している主題についての幾つかの実施形態による歪み制限層２５１０を用いて成形体２５０４を封止してもよい。
【０１２１】
こうした製造方法により、全体の厚さが１ｍｍより大きく、典型的には厚さ５ｍｍ〜５ｃｍのデバイスを製造できる。例示的な厚さは、例えば２ｍｍ〜４ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍまたは５ｃｍである。比較的大規模な加圧式ネットワーク（例えば従来のフォトリソグラフィ技術により得られる外形と比べて）により、機能的デバイスの製造を大規模に行うことができる。ソフトロボット内の埋め込みチャネルネットワークは大規模なものに限定されず、従来のマイクロ製造技術を用いてソフトロボットをサブミリメートルスケールで開発できると考えられる。
【０１２２】
幾つかの実施形態で、径方向撓みアクチュエータ２５００は、デバイスと把持面との間に吸引圧または負圧を作り出すことにより把持装置として利用されてもよい。図２７は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、径方向撓みアクチュエータの把持装置としての利用を示す。まず、図２７Ａのように、非多孔性（ｎｏｎ−ｐｏｒｏｕｓ）の物体２７０２にアクチュエータ２５００を接触させて配置する。次に、図２７Ｂのように、アクチュエータ２５００を加圧して膨張させる。断面図でのみ示しているが、中心点周りで流体チャネルを径方向に分布させることにより、アクチュエータは２次元で上向きに撓んで物体に対して「泡」（バブル、ｂｕｂｂｌｅ）形状または凸形状を成す。加圧されている間、アクチュエータ２５００の下層と物体２７０２の表面との間にコンフォーマルな封止接触を設けることにより、これらの間に空隙部２７０４が形成される。空隙部内の圧力は外圧よりも低い（ΔＰ＝−で示される）。この大気圧を下回る圧力により、アクチュエータ２５００の下層と物体２７０２の表面とを一緒に保持でき、これにより把持力が生じる。従って、アクチュエータは、吸盤、すなわち空気または水の負の流体圧を用いて非多孔性表面に吸着する物体として機能することができる。この真空部が形成されると、図２７Ｃに示すように、アクチュエータ２５００は物体２７０２を持ち上げることができる。この径方向撓みアクチュエータ２５００の吸引機構は、多くの用途で有用であろう。例えば、径方向撓みアクチュエータ２５００は、持ち上げまたは移動させるための物体、または、機械の種々のコンポーネントのための固定金具に可逆的に付着してもよい。また、アクチュエータ２５００を用いて、器具（例えば切断ツール）またはセンサの位置を確実に制御および維持してもよい。また、ロボットと表面との間の接触点に配置されるとき、アクチュエータ２５００は牽引機構を与えることができる。この点で、アクチュエータ２５００はソフトロボット用の「足」として機能しうる。さらに、アクチュエータ２５００により、通常は扱うのが困難な壊れやすい物体（例えば、ガラス枠、紙やプラスチックのシート）の把持とマニピュレーション（操作）を簡単に行うことができる。
【０１２３】
図２８は、開示している主題についての幾つかの実施形態による径方向撓みアクチュエータを用いた物体（例えばペトリ皿）のマニピュレーションを示す。この図で、図２５で説明している実施形態と非常に類似したアクチュエータ２８００は、２つの導管２８０２を介して加圧される。図２８Ａで、アクチュエータ２８００はペトリ皿と接触した状態とされる。この点で、アクチュエータ２８００は図２７Ａに示す緩和状態にある。図２８Ｂでは、図２７のようにアクチュエータ２８００の下面がペトリ皿２８０４を掴むことができるように、アクチュエータ２８００が加圧される。図２８Ｃでは、アクチュエータ２８００が持ち上げられて、アクチュエータ２８００に付着したペトリ皿２８０４が持ち上げられる。
【０１２４】
径方向撓みアクチュエータは、他のロボット要素と協働して、新たな機能を与えるようにしてもよい。新たな機能の１つとして流体制御が挙げられる。例えば、径方向撓みアクチュエータは、別のロボットにおける流量を制御できる。特に、径方向撓みアクチュエータを、流体を採取して或る位置から別の位置へ搬送するための第２のチャンバに連結し、効果的な流体吸引装置を形成してもよい。図２９Ａは、開示している主題についての幾つかの実施形態による流体吸引デバイスの断面図を示す。流体吸引デバイス２９００は、実質的に図２で説明した径方向撓みアクチュエータ２５００と、アクチュエータ２５００の上に積まれたソフトチャンバ２９０２を含んでもよい。ソフトチャンバ２９０２は、ガスや液体のような流体を収容できるリザーバ２９０４を備えてもよい。さらに、ソフトチャンバ２９０２は流体入口２９０６を含んでもよい。流体入口２９０６を介して、ソフトチャンバ２９０２は液体を受け、または排出することができる。流体入口２９０６は、流体チャネル２５０２のいずれにも連結されない。
【０１２５】
幾つかの実施形態では、径方向撓みアクチュエータ２５００の上にキャップを取り付けることにより、径方向撓みアクチュエータ２５００の上にソフトチャンバ２９０２が設けられる。このキャップは、カバー層と１つまたは複数個の壁を備えてもよく、この壁は可撓体に取り付けられてもよい。キャップと径方向撓みアクチュエータ２５００の上部との間の空間をリザーバ２９０４としてもよい。幾つかの例で、キャップは、単に径方向撓みアクチュエータ２５００の上に配置された軟質材料の層であってもよい。ソフトチャンバ２９０２を構成する軟質材料は、アクチュエータ２５００を構成する材料と同じ材料であってもよい。ソフトチャンバ２９０２を構成する軟質材料は、アクチュエータ２５００を構成する材料と異なる軟質材料であってもよい。
【０１２６】
幾つかの実施形態で、ソフトチャンバ２９０２のキャップはモールド成形されてもよい。図３０は、図２９の実施形態によるソフトチャンバ２９０２のキャップを成形するためのモールドを示す。このモールドは、ソフトチャンバ２９０２のための層の「ネガ」構造を画定する。例えば、突起３００２はリザーバ２９０４を画定し、トレンチ３００４は、成形した層を径方向撓みアクチュエータ２５００に結合するための層壁を画定し、突起３００２に結合した隆起構造３００６は、リザーバ２９０４用の流体入口２９０６を画定する。
【０１２７】
図２９に示す流体吸引デバイスは、流体を収集および搬送するように使用されてもよい。図２９は、開示している主題についての幾つかの実施形態による流体吸引ソフトデバイスの制御機構を示す。図２９Ａに示す流体吸引デバイス２９００は、緩和状態にある。その緩和状態で、径方向撓みアクチュエータ２５００は緩和状態にある。図２９Ｂは、吐き出し状態の流体吸引デバイスを示す。この吐き出し状態で、径方向撓みアクチュエータ２５００は駆動されて径方向に撓む。アクチュエータ２５００はソフトチャンバ２９０２内へ向けて上方に撓む。撓んだアクチュエータ２５００では、ソフトチャンバ２９０２内のリザーバ２９０４の体積が低下し、流体吸引デバイス２９００のソフトチャンバ２９０２は、流体入口２９０６を介してリザーバ２９０４内の空気を「吐き出す」。
【０１２８】
アクチュエータ２５００が図２９Ｃのように緩和状態に戻る際、ソフトチャンバ３００２内のリザーバ３００４の体積は元の体積に戻る。ソフトチャンバ３００２は、アクチュエータ２５００が緩和状態に戻る際に流体入口３００６を介して或る体積のガス（空気）または流体を「吸入する」ように構成されている。流体入口３００６を流体内に配置することにより、ソフトチャンバ３００２は流体入口３００６を介して所望の流体を吸入してもよい。従って、デバイスは、小分けした（ａｎ  ａｌｉｑｕｏｔ  ｏｆ）液体をリザーバ３００４内へ受ける。リザーバ３００４から液体を取り除くために、径方向撓みアクチュエータ２５００を再度駆動してもよい。アクチュエータ２５００は、ソフトチャンバ３０００内へ向けて上方に撓む。また、このようにリザーバ３００４の体積は圧縮され、ソフトチャンバ３００２は、リザーバチャンバからの捕捉された液体を、流体入口３００４を介して搬送する。
【０１２９】
図２９に示すように、アクチュエータ２５００は、ソフトチャンバ２９０２での流体の受容と運搬を制御する有効な機構を与える。この流体制御機構は多くの用途で有用である。例えば、アクチュエータ２５００は、流体を収集・運搬する簡単な解決方法を提供する。幾つかの実施形態で、アクチュエータ２５００は、離れた位置（例えば、人間にとって安全でない厳しい環境）から流体を採取すると共に採取した流体を別の位置に搬送する他のロボットに連結されてもよい。採取した流体を完全にリザーバ２９０４内に収容できるので、毒性のある流体であっても、安全に収集・搬送できる。
【０１３０】
図３１は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、流体吸引装置を用いた染色水のマニピュレーションを示す。図２９に開示しているように、流体吸引装置３１００は、径方向撓みアクチュエータ２５００と、その上に重ねて置かれたソフトチャンバ３１０２とを備える。この図で、アクチュエータ２５００は、２つの導管３１０４を介して圧力供給源に連結され、ソフトチャンバ３１０２は、流体入口３１０６を介して染色水につながっている。図３１Ａで、流体吸引装置３１００は図２９Ａのような緩和状態にある。図３１Ｂで、アクチュエータ２５００は、径方向に撓むように導管３１０４を介して加圧される。アクチュエータ２５００の径方向撓みにより、ソフトチャンバ３１０２はリザーバ内の空気を吐き出す。図３１Ｃで、アクチュエータ２５００は減圧されて緩和状態に戻り、これによりソフトチャンバ３１０２は図２９Ｃのように染色水を吸入する。採取された染色水は、図２９Ｄのようにアクチュエータ２５００を再度加圧することにより回収してもよい。
【０１３１】
流体吸引装置３２００は、流体の収集と搬送に加えて、局所的な化学分析および／または化学反応に有用である。図３２は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、化学分析用途での流体吸引装置３２００の利用を示す。この図で、流体吸引装置３２００は、化学物質３２０２を収集してソフトチャンバ３２２０内に収納されたリザーバに搬送すると共に、リザーバ内で生じる、収集した化学物質３２０２の特性を分析するための化学反応に対応する（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｅ）。図３２Ａに示すように、流体吸引装置３２００は、図３１Ａと同じように構成されている。化学分析の場合、流体吸引装置３２００内のソフトチャンバ３２２０は、比色試薬（例えば比色塩基試薬）を含んでもよい。シリコーンベースのエラストマー（例えばエコフレックスシリコーンエラストマー）は、半透明であるという特性のために、ソフトチャンバ内で生じる化学反応を視覚的に観察することに特に適している。幾つかの実施形態で、比色塩基試薬は、アクチュエータ２５００の駆動の際に圧縮されて視薬材料（例えば比色塩基試薬）を放出するような壊れやすいカプセルであってもよい。図３２Ｂで、流体吸引装置３２００は、加圧されてソフトチャンバ３２２０のリザーバ内に残留する空気を排出する。静止状態に戻る際に（減圧）、流体化学物質３２０２は、ソフトチャンバ内の反応チャンバに搬送される。収集された化学物質３２０２は比色塩基試薬と反応し、図３２Ｃのように色によりその特性を示す。流体吸引装置３２００は半透明であるので、色の変化を容易に観察できる。
【０１３２】
ハイブリッド  ソフト／ハードロボット．
ソフトロボットは多種の複雑な動作を行うことができるが、最新鋭のソフトロボットであっても、ハードロボットが容易に対処可能な課題を抱えることがある。その例の１つは移動である。幾つかのロボットは、駆動により屈曲させることができる複数の「ソフトアクチュエータ脚」を含んでもよい。これらのソフトロボットは、ソフトアクチュエータ脚を協調して屈曲させることにより移動でき、これにより蜘蛛のような移動を行う。残念ながら、特に平坦な地形のような特定の地形では、こうした多機能のソフトロボットの移動能力は限定的であってハードロボットの移動能力に達しない可能性がある。ソフトロボットの蜘蛛のような動きは、起伏の多い表面上を移動する場合には備わっていればよいが、平坦な表面の上では高速動作を可能にしない。それゆえ、ソフトロボットとハードロボットの両方の所望の特性を有するロボットが求められている。
【０１３３】
図３３は、開示している主題についての特定の実施形態によるロボットシステムを示す。ロボットシステム３３００は、ソフトロボット３３０２、ロボット制御システム３３０４、ハードロボット３３０６、カメラシステム３３０８、中央制御システム３３１０のうちの１つまたは複数個を備えてもよい。これら各コンポーネントについて、以下で詳細に説明する。
【０１３４】
（ソフトロボット）
幾つかの実施形態で、ソフトロボット３３０２は、１つまたは複数個のアクチュエータ３３１２を含んでもよい。アクチュエータ３３１２は、駆動されて動く１つまたは複数個の流体チャネルを含んでもよい。駆動方法として、提案しているソフトロボットの多くは、薄いエラストマーの薄膜において、製造された形状が加圧により可逆的に変化することを利用する。ソフトエラストマー内に埋め込まれたチャネルのマイクロ流体ネットワークは、より剛性の高いエラストマー膜の駆動層として用いられるように設計されてもよい。チャネルはより軟らかいエラストマー内に埋め込まれ、この層は、より剛性は高いが曲げやすい層に接合される。空気を用いたチャネルの加圧（空気圧駆動）、より一般的には流体を用いたチャネルの加圧（流体駆動）の際、ソフトエラストマーネットワークは膨張する。この膨張または歪みは、より軟らかいエラストマー層とより剛性の高いエラストマー層との間界面で制限される。ソフトエラストマーの膨張は、より剛性の高い歪み制限層の周りで屈曲することにより受容される。
【０１３５】
アクチュエータ３３１２は、特定の機能を与えるように構成されている。幾つかの実施形態で、アクチュエータ３３１２は軟質触手アクチュエータ２０２を含んでもよい。他の実施形態で、アクチュエータ３３１２は径方向撓みアクチュエータ２５００を含んでもよい。さらに別の実施形態で、アクチュエータ３３１２は、参照により全体として本明細書に組み込まれるＰＣＴ出願（出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０６１７２０、発明の名称“Ｓｏｆｔ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ”）、ＰＣＴ出願（出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５９２２６、発明の名称“Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ａｃｔｕａｔｉｎｇ  Ｓｏｆｔ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ”）、ＰＣＴ出願（出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２８２５０、発明の名称“Ａｐｐａｒａｔｕｓ，  Ｓｙｓｔｅｍ，  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  Ｆａｂｒｉｃ−Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  ａｓ  Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ”）、ＰＣＴ出願（出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２２５９３、発明の名称“Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ”）で開示されたアクチュエータのうちの１つまたは複数個を含んでもよい。
【０１３６】
幾つかの実施形態で、アクチュエータ３３１２は歩行機械として構成されてもよい。図３４は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、歩行機械として構成されたアクチュエータを示す。アクチュエータ３３１２は、駆動時に屈曲するように構成された脚を含んでもよい。これらの脚は、独立して制御されて方向性を持つ動作を与えるようにされてもよい。図３５は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、アクチュエータ３３１２の歩行動作を示す。図３５ａは、アクチュエータ３３１２が傾斜角約１０°〜１５°の傾斜面を歩いて上がることができることを示す。図３５ｂは、アクチュエータ３３１２は砂などさまざまな表面の上を歩くことができることを示す。
【０１３７】
幾つかの実施形態で、アクチュエータ３３１２は回転対称性を示すように構成されてもよい。例えば、アクチュエータ３３１２は、３回回転対称性（すなわちＣ３対称性）を示すように構成された３つの脚を有してもよい。Ｃ３対称構成は、アクチュエータ３３１２の受動的な安定性（ｐａｓｓｉｖｅ  ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を与えることができる。別の例で、アクチュエータ３３１２は、４回回転対称性（すなわちＣ４対称性）を示すように構成された４つの脚を有してもよい。これにより、アクチュエータ３３１２をより簡単に制御して複数の方向へ移動させることができる。
【０１３８】
幾つかの実施形態で、アクチュエータ３３１２の各脚は、独立して駆動可能な２つの平行な流体チャネルを含んでもよい。平行な流体チャネルは、アクチュエータ３３１２の中央から脚の先まで延び、主動筋／拮抗筋として機能してもよい。このペアにより、パドリング（ｐａｄｄｌｉｎｇ）動作を行うように脚を駆動することができる。図３６は、開示している主題についての幾つかの実施形態による脚のパドリング動作を示す。図３６ａで、両流体チャネルは大気圧にある。流体チャネルの１つ（すなわちＰＮ１）を加圧すると、脚の先端は図３６ｂに示すように前下方に移動する。両流体チャネルを加圧すると、脚の先端は図３６ｃに示すように後下方に移動する。次に、ＰＮ１内の圧力を取り除くと、脚の先端は図３６ｄに示すように後上方に移動する。両流体チャネル内の圧力を取り除くと、脚は元の状態に戻る（図示せず）。８つの流体チャネル（すなわち、４つの脚の流体チャネル）のそれぞれの加圧／減圧シーケンスは、アクチュエータ３３１２の進み方を決定する。
【０１３９】
幾つかの実施形態で、アクチュエータ３３１２は回転動作を行う。例えば、アクチュエータ３３１２の各脚を僅かな時間差で駆動して、アクチュエータ３３１２に有効な回転動作を与えることができる。回転しやすくなるように、アクチュエータ３３１２の各脚の先端を丸くしてもよい。これにより、アクチュエータ３３１２が回転する際に、脚は基板と接触し続ける。幾つかの実施形態では、アクチュエータ３３１２の脚を同時に駆動して、把持装置として動作させてもよい。
【０１４０】
幾つかの実施形態で、図３３に示すように、ソフトロボット３３０２はセンサ３３１４を備えてもよい。ソフトロボット３３０２は、複数のセンサ３３１４を用いて周囲についての情報を集めると共に、集まった情報に対して応答する。幾つかの実施形態で、複数のセンサ３３１４はバンプセンサ（衝突センサ、ｂｕｍｐ  ｓｅｎｓｏｒ）を含んでもよい。ソフトロボット３３０２は、バンプセンサを用いて障害物を検出し、さらにそれらの周囲を移動することで検出した障害物を避けることができる。バンプセンサは、他の物体と接触したときに抵抗が変化するピエゾ抵抗式センサであってもよい。この抵抗の変化をロボット制御システムにより検出してソフトロボットが動作方向を変えるようにしてもよい。
【０１４１】
図３７は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、バンプセンサの設計と配置を示す。図３７ａは、紙ベースのバンプセンサ用のネットワーク３７０２を示す。ネットの４隅にあるステンシル印刷したカーボンインクの布片３７０４Ａ〜３７０４Ｄは、ピエゾ抵抗式センサとして動作可能である。銀エポキシを用いて、銅ワイヤをピエゾ抵抗式センサ３７０４Ａ〜３７０４Ｄに接続してもよい。図３７ｂは、バンプセンサ３７０６の折り畳み形状を示しており、アームの三角断面とピエゾ抵抗式センサ３７０４Ａ〜３７０４Ｄを含む可撓性ヒンジの上面を示す。可撓性ヒンジが他の物体と接触すると、それに応じて関連するピエゾ抵抗式センサの抵抗値が変化する。ロボット制御システム３３０４は、この抵抗の変化を検出し、これに応じてソフトロボットの動作方向を操ることができる。
【０１４２】
図３７ｃは、バンプセンサ３７０６のソフトロボット３３０２の上への取付け方法を示す。幾つかの実施形態で、バンプセンサ３７０６は、ソフトロボット３３０２の上に接着することにより取り付けられてもよい。三角形断面を有するバンプセンサ３７０６の折り紙構造は固定支持部を与え、可撓性ヒンジはステンシル印刷したセンサ用の足場を与える。図示している実施形態では、バンプセンサもソフトロボットも、中心を通って端から端まで６インチである。
【０１４３】
（ロボット制御システム）
ロボット制御システム３３０４は、ソフトロボット３３０２、ハードロボット３３０６および中央制御システム３３１０に結合されている。ロボット制御システム３３０４は、ソフトロボット３３０２とハードロボット３３０６の動作を制御するためのコントロールセンタとして動作してもよい。
【０１４４】
幾つかの実施形態で、ロボット制御システム３３０４は２つの主要素（電子システムと流体システム）を備えてもよい。電子システムは、制御プログラムモジュール３３１６と通信リンクモジュール３３１８を備えてもよい。制御プログラムモジュール３３１６は、有線シリアルバスを介してハードロボット３３０６と通信してもよく、通信リンクモジュール３３１８を介して中央制御システム３３１０と通信してもよい。通信リンクモジュール３３１８は、ＸＢｅｅワイヤレスリンクモジュールを備えてもよい。制御プログラムモジュール３３１６は、マイクロプロセッサ（例えばＡｔｍｅｌ  ＡＶＲ  ２０５６）を用いて実装されてもよい。
【０１４５】
制御プログラムモジュール３３１６は、命令を受けてソフトロボットを動作させてもよい。例えば、制御プログラムモジュール３３１６は、中央制御システム３３１０から命令を受けてもよい。制御プログラムモジュール３３１６は、この命令を利用してソフトロボットの制御方法を決定してもよい。幾つかの例で、制御プログラムモジュール３３１６は、中央制御システム３３１０を介してユーザから命令を受けてもよい。例えば、ユーザは、中央制御システム３３１０に結合されたゲームパッドを用いて、ソフトロボットの所望の動作を特定してもよい。中央制御システム３３１０は、ユーザ入力を処理すると共に、制御プログラムモジュール３３１６に適切な命令を与えることができる。これにより、ロボットの動きの半自律制御が可能となる。幾つかの実施形態で、制御プログラムモジュール３３１６は、ソフトロボット３３０２についての感覚フィードバック情報を受信してもよい。制御プログラムモジュール３３１６は、この感覚フィードバック情報を用いて、ソフトロボットの動きを調整する方法を決定する。
【０１４６】
ロボット制御システム３３０４の流体システムは、流体ポンプ・バルブ３３２０を備えてもよい。流体ポンプ・バルブ３３２０は、ソフトロボット３３０２に結合されて、ソフトロボット内の流体チャネルを駆動してもよい。幾つかの実施形態で、各流体ポンプ・バルブ３３２０は、独自の流体チャネルに連結されてもよい。これにより、ロボット制御システム３３０４は流体チャネルを独立して駆動でき、複雑な動作が可能となる。
【０１４７】
図３８ｃ、ｄは、開示している主題についての幾つかの実施形態による、流体ポンプ・バルブを示す。流体ポンプ・バルブ３３２０は、低コストの血圧計から再利用されたダイヤフラムポンプとソレノイドバルブであってもよい。ダイヤフラムポンプとソレノイドバルブの概略を図３８ｄに示す。また、図３４は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、ダイヤフラムポンプとソレノイドバルブをソフトロボット３３１２に連結する方法を示す。幾つかの実施形態で、ポンプ・バルブ３３２０は、特注のＰＣＢと、オープンソースの安価なＡｒｄｕｉｎｏマイクロコントローラを用いて制御されてもよい。マイクロコントローラ、ポンプおよびバルブは、ロボットシステムを携帯できるようにリチウムポリマーバッテリの電力で動作してもよい。
【０１４８】
幾つかの実施形態で、流体ポンプ・バルブ３３２０は、参照により全体として本明細書に組み込まれるＰＣＴ出願（出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５９２２６、発明の名称“Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ａｃｔｕａｔｉｎｇ  Ｓｏｆｔ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ”）に開示されたオンボードのソフトマイクロポンプシステムを含んでもよい。例えばマイクロエアコンプレッサ、マイクロ電解槽および過酸化物燃料ガスジェネレータなど、マイクロポンプについて種々の設計が考慮される。
【０１４９】
幾つかの実施形態で、マイクロポンプは、レシプロダイヤフラム式マイクロポンプ、例えばＴａｋａｓａｇｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社から入手できるもの（例えば最も小さいデバイスの大きさが約３０００ｍｍ３であるＳＤＭＰ３０２スタンダードシリーズピエゾ電気マイクロポンプ）であってもよい。これらの圧電駆動されたマイクロポンプは、１ワット未満の電力を用いて〜１ｍＬ／ｍｉｎの流量を〜１ｋＰａで生み出す。現存するレシプロダイヤフラム式技術を埋込みエラストマー内に組み込むことにより、１００ｍｍ３のソフトマイクロポンプが提案されている。エアコンプレッサは、ダイヤフラムポンプ、出入口膜バルブおよびマイクロエアチャネルから構成されてもよい。完全なシステムは、シリコーンまたはポリウレタンエラストマーからなるプレパターン化層を結合することにより組み立てられてもよい。アセンブリ内で剛性の高いコンポーネントは、空気チャンバを引くために用いられる電動アクチュエータだけである。
【０１５０】
幾つかの実施形態で、マイクロポンプは、ガスを生成する電解槽を備えてもよい。電解槽は、〜５ｍＬ／ｍｉｎの速度でガス（水素と酸素）を生成できる。この速度は、ソフトロボットに対して望まれるものよりも約１０倍から５０倍低い。ただし、印加される電圧、電極の表面積、水溶液の電気伝導度およびこれらの組み合わせを増大させることにより、性能を向上させることが可能である。幾つかの実施形態で、マイクロポンプは、過酸化水素の触媒分解を通じて圧力を生成する自動制御型のジェネレータを備えてもよい。こうしたポンプは、２２ｐｓｉに達する安定した圧力を生み出すことができ、空気圧ローリングベルトを動作させることができる。
【０１５１】
制御プログラムモジュール３３１６は、駆動シーケンスを用いてポンプ・バルブ３３２０を制御してもよい。駆動シーケンスは、ソフトロボットの動作を決定してもよい。幾つかの実施形態で、制御プログラムモジュール３３１６は、駆動シーケンスを実験的に決定してもよい。例えば、制御プログラムモジュール３３１６は、トライアルアンドエラーによりソフトロボット３３０２用の制御シーケンスを見出し、所望の動作のための適切な制御シーケンスを決定してもよい。多くの場合、各流体チャネル用の駆動シーケンスは、次のように要約される。すなわち、（ａ）バルブを閉じる、（ｂ）ポンプの電源を入れて流体チャネルを膨張させる（すなわち加圧する）、（ｃ）バルブを閉じた状態でポンプの電源を切る、（ｄ）バルブを開いて収縮させる。図３８ｂは、開示している主題についての幾つかの実施形態による、アクチュエータの蜘蛛のような動きのための、実験的に得られた駆動シーケンスを示す。幾つかの実施形態では、各流体チャネルの駆動シーケンスを僅かにずらすことにより、脚の回転を、先端で測定されたものとして観測してもよい。
【０１５２】
幾つかの例で、駆動シーケンスはタイミング行列（ｔｉｍｉｎｇ  ｍａｔｒｉｘ）として表されてもよい。タイミング行列の各行は、ロボット制御システム３３０４に結合された各流体チャネル用の駆動シーケンスを含んでもよい。タイミング行列の第１行は、第１流体チャネルの駆動をｔ＝０で開始する第１駆動シーケンスと考えてもよい。次に、他の流体チャネルに関連するタイミング行列の他の行は、第１駆動シーケンスを基準として規定される第２駆動シーケンスと考えてもよい。幾つかの実施形態で、これらの第２駆動シーケンスは、ｔ＝０からのタイミング行列の回転により規定されてもよい。言い換えると、第２駆動シーケンスは、第１シーケンスを時間についてシフトされたものであると考えてもよい。例えば、第１駆動シーケンスが１１０００００００であると仮定する。次に、「左にシフトさせる」行列の回転により、第１駆動シーケンスから第２駆動シーケンスを得てもよい。「左にシフトさせる」行列の回転は、行列の各要素を左にシフトするプロセスである。このプロセスで、最も左の要素は行列の端から得られて、右側の第１位置に再度挿入される。例えば、第１駆動シーケンス１１０００００００は、１点で左に回転して第２駆動シーケンス１０００００００１となる。
【０１５３】
幾つかの実施形態では、方向性を持つ歩行動作と関連したタイミング行列の行の順序を変えることにより、歩行動作の方向を変更してもよい。多くの四肢動物の動きとは対照的に、回転対称性を有するアクチュエータ３３１２は、回転して動作方向を変える必要がない。その代わりに、アクチュエータ３３１２は、側方または後方への動きを生じさせる修正駆動シーケンスを用いて制御されてもよい。この方策は、ロボットのどちらの側が「前方」であるかを再定義するものであると考えてもよい。例えば、タイミング行列の並べ替えにより、方向性を持つ方向動作の第１駆動シーケンスに関連して第１流体チャネルが変化する。これにより、歩行装置の前方が変化する。
【０１５４】
図３８ａ、ｂは、開示している主題についての幾つかの実施形態による、タイミング行列の配列を定性的に示す。図３８ａは、開示している主題についての幾つかの実施形態によるソフトロボットを示す。各脚は、独立して駆動される２つの流体チャネルを有する。４つ足は、安定性、移動および方向制御向けに設計されている。ポリエチレンチューブを脚の中に挿入し、加圧空気が脚を通ってその脚を駆動できるようにした。当初の左前方の脚と右前方の脚とが流体チャネルＢ３、Ｂ４、Ａ１、Ａ２を含むようにソフトロボットの向きを定義する場合、これらの流体チャネルがソフトロボットの「前方」を成してもよい。この場合、前後左右に移動するためのシーケンスにより駆動される第１流体チャネルは、それぞれＡ１、Ａ３、Ｂ１、Ｂ３である。ロボット制御システム３３０４が歩行動作の方向を変更することを決定する場合、制御プログラムモジュール３３１６は、タイミング行列の行の順序を変えて、第１駆動シーケンスを用いてどの流体チャネルが最初に駆動されるかを有効に再定義できる。これにより、ソフトロボットの向きが変わって、新しい左前方と右前方の脚は流体チャネルＢ１、Ｂ２、Ａ３、Ａ４を含む。
【０１５５】
図３９は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、ソフトロボットの方向性を持つ歩行動作を示す。この図で、ソフトロボット３３０２は、図の左下から動作を開始して左上、右上、そして右下へと歩く。ナンバリングした星型は、ロボットの最初の向き（左前方３９０２、右前方３９０４、左後方３９０６、右後方３９０８）を指す。ソフトロボット３３０２は、ロボット３３１２の事実上の前方を変更することにより、種々の方向に移動する。
【０１５６】
ロボット制御システム３３０４を確立するために必要とされるソフトウェアは、高級な手続き型言語やオブジェクト指向言語（例えばＭＡＴＬＡＢ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）またはＰｅｒｌ）であってもよい。ソフトウェアは、必要に応じてアセンブリ言語により実現されてもよい。幾つかの実施形態で、ソフトウェアは、この文書に記載されたプロセスを実行するために、一般的または特別な目的の処理ユニットが読み出し可能な記憶媒体または記憶装置、例えばリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または磁気ディスクに記憶される。プロセッサは、任意のマイクロプロセッサ（単一または複数のコア）、システムオンチップ（ＳｏＣ）、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、または命令を処理可能な他の任意の集積回路（例えばｘ８６マイクロプロセッサ）を含んでもよい。
【０１５７】
（ハードロボット）
ハードロボット３３０６は、ハードロボットセンサ３３２２、モータコントローラ３３２４およびマイクロコントローラ３３２６を備えてもよい。ハードロボット３３０６は移動用に設けられてもよい。幾つかの実施形態で、ハードロボットシステムは、輸送の中心として機能してもよい。ハブは、バッテリ、ポンプ、バルブ、マイクロコントローラおよび通信装置を運搬してもよい。ホイールもしくはトラック、または移動を与える他の任意のハードボディ手段を用いることにより、これら２つの丈夫で高負荷に耐える機械要素の強みを活かすことができる。幾つかの実施形態で、ハードロボット３３０６は、独自のマイクロプロセッサ、命令セットおよび制御部を有し、自己を自律的に制御してもよい。他の実施形態で、ハードロボット３３０６は、ロボット制御システム３３０４内のマイクロプロセッサにより全体として制御されてもよい。
【０１５８】
（カメラシステム）
カメラシステム３３０８は、通信リンク３３２８とカメラモジュール３３３０を備えてもよい。カメラモジュール３３３０は、ロボットシステム３３００の周囲の静止画または動画情報を撮影する１つまたは複数個のイメージセンサと、そのイメージセンサを外部入力に応じて移動させる１つまたは複数個のモータを備えてもよい。通信リンク３３２８は、カメラシステム３３０８が中央制御システム３３１０から或る距離離れて動作できるようにするワイヤレスリンクを備えてもよい。カメラシステム３３０８は、コントロールパッドや動画フィードバック部、または中央制御システム３３１０を用いてユーザにより操作されてもよい。
【０１５９】
（中央制御システム）
中央制御システム３３１０は、機械視覚モジュール３３３２、遠隔制御プログラムモジュール３３３４および通信リンク３３３６、３３３８を備えてもよい。中央制御システム３３１０上で動作する機械視覚モジュール３３３２により、物体の特定、および、ソフトロボットの配置と動作の位置／タイミングの制御／フィードバックを行うことができる。中央制御システム３３１０は、リモートコンピュータ、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータまたはスマートフォンであってもよい。中央制御システム３３１０を確立するために必要とされるソフトウェアは、高級な手続き型言語やオブジェクト指向言語（例えばＭＡＴＬＡＢ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、ＪａｖａまたはＰｅｒｌ）であってもよい。ソフトウェアは、必要に応じてアセンブリ言語により実現されてもよい。幾つかの実施形態で、ソフトウェアは、この文書に記載されたプロセスを実行するために、一般的または特別な目的の処理ユニットが読み出し可能な記憶媒体または記憶装置、例えばリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または磁気ディスクに記憶される。プロセッサは、任意のマイクロプロセッサ（単一または複数のコア）、システムオンチップ（ＳｏＣ）、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、または命令を処理可能な他の任意の集積回路（例えばｘ８６マイクロプロセッサ）を含んでもよい。
【０１６０】
（用途）
幾つかの実施形態で、ロボットシステム３３００は、ロボット原動機（ｍｏｖｅｒ）として構成されてもよい。図４０は、開示している主題についての幾つかの実施形態によるロボット原動機を示す。ロボット原動機４０００は、ソフトロボット３３０２、ロボット制御システム３３０４、ハードロボット３３０６を備えてもよく、カメラシステム３３０８と中央制御システム３３１０に結合されてもよい（図示せず）。
【０１６１】
ロボット原動機４０００は、所定のタスクを実行するように配置されてもよい。図４１は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、ロボット原動機を用いて物体を移動させるプロセスを示す。ステップ４１０２で、ロボット原動機４０００は移動させる対象のターゲットを検出する。ロボット原動機４０００は、ハードロボット３３０６に取り付けられたセンサを用いて、移動させる対象の物体を検出してもよい。センサは、例えば、物理バンプセンサ４００２、近接センサ（例えば赤外線近接センサ）および飛行時間センサ（例えばソーナーセンサ）のうちの１つまたは複数個を含んでもよい。ステップ４１０４で、ロボット原動機４０００は、カメラシステム３３０８を用いて、検出した物体の画像を撮影してもよく、撮影した画像を中央制御システム３３１０に送信してもよい。ステップ４１０６で、中央制御システム３３１０は受信した画像を処理し、検出した物体をロボット原動機４０００が除去すべきか否かを決定する。中央制御システム３３１０はこの目的のために画像処理システムおよび／または物体認識システムを利用してもよい。
【０１６２】
中央制御システム３３１０が、検出した物体をロボット原動機４０００により移動させる必要がないと決定した場合、ロボット原動機４０００は、別の物体を検出するまでステップ４１０２を実行してもよい。中央制御システム３３１０が、ロボット原動機４０００により検出した物体を移動させる必要があると決定した場合、ロボット原動機４０００はステップ４１０８に進んでもよい。
【０１６３】
ステップ４１０８で、ロボット原動機内のロボット制御システム３３０４は、検出した物体をソフトロボット３３０２が掴めるように、流体ポンプ・バルブ３３２０を駆動する。例えば、ロボット制御システム３３０４は流体ポンプ・バルブ３３２０に駆動シーケンスを与えてもよく、それに応じて、流体ポンプ・バルブ３３２０により、ソフトロボット３３０２が検出した物体まで歩いて検出した物体を掴むようにしてもよい。ソフトロボット３３０２に固有の適合性により、検出した物体に対する損傷や圧力が制限されると共に、ソフトロボット３３０２が物体の形状の情報なしに物体をピックアップすることができる。
【０１６４】
ステップ４１１０で、ロボット制御システム３３０４は、ハードロボット３３０６がソフトロボット３３０２と掴んだ物体を所望の位置まで引きずることができるように、ハードロボット３３０６に制御シーケンスを送る。このようにして、掴んだ物体を迅速に所望の位置に移動させることができる。幾つかの実施形態で、ロボット制御システム３３０４は、ハードロボット３３０６を自律して動作させることができる。他の実施形態で、ロボット制御システム３３０４は、中央制御システムから命令を受信して、ハードロボットを所望の位置まで移動させてもよい。ソフトロボット３３０２は、所望の位置まで引きずられると、掴んだ物体を開放してハードロボット３３０６内のドックに戻ってもよい。
【０１６５】
幾つかの実施形態で、ハードロボット３３０６は掃除機であってもよい。こうした実施形態で、ロボット原動機４０００は、ロボット掃除機として構成されてもよい。ロボット掃除機は、ソフトロボット３３０２を用いて、掃除機が除去できない物体を掴んで除去できる。ソフトロボット３３０２がこうした物体を除去すると、ロボット掃除機はハードロボット３４０６を用いて残りの物体を除去する。
【０１６６】
幾つかの実施形態で、ロボットシステム３３３０は、輸送の中心として用いられてもよい。例えば、ハードロボット３３０６を用いて機能材料（例えば燃料、接着剤およびフォーム）を輸送してもよく、ソフトロボット３３０２を用いて機能材料を適用または利用してもよい。
【０１６７】
幾つかの実施形態で、ハードロボット３３０６は、ソフトロボットが充分に実行できないタスクにおいてソフトロボットを支援してもよい。例えば、ハードロボット３３０６を用いてソフトロボット３３０２に動力を供給してもよい。動力は空気圧、水圧または他の任意の流体動力であってよい。
【０１６８】
他の実施形態で、ソフトロボット３３０２は、周囲と相互作用するための追加の手段をハードロボット３３０６に与えることができる。例えば、ソフトロボット３３０２は周囲から物体を集めてもよく、ハードロボット３３０６は集めた物体を分析すると共にその分析結果を中央制御システムに送信してもよい。
【０１６９】
幾つかの実施形態で、ロボットシステム３３３０は、ソフトロボットとハードロボットを有する有袋類ロボットシステムとして用いられてもよく、ハードロボットが有袋類ロボットシステムのハブとして動作し、ソフトロボットがそのハードロボットにより運搬されてもよい。こうした有袋類ロボットシステムにおいて、ソフトロボット３３０２は、ハードロボット３３０６が、危険な環境に実際には進入することなくその環境と相互作用するための手段を提供する。例えば、ソフトロボット３３０２は、爆弾処理用に配置されてもよく、放射能汚染または化学汚染された環境に配置されてもよく、一方、ハードロボット３３０６は、危険な環境から隔てて配置されてもよい。これは、安価なソフトロボット３３０２を犠牲にして高価なハードロボット３３０６を保護するための有用な方策である。別の例で、ソフトロボット３３０２はハードロボットが機能しない領域で動作手段を与えることができる。ハードロボットは、例えば、高放射線に曝された領域、深くて軟らかい泥、腐食性の化学物質が溜まったところ、アーク放電の電気部品内に配置された場合のような特定の環境下では機能しない。しかし、ソフトロボットは、こうした領域でも良好に動作可能である。それゆえ、ソフトロボットは、ハードロボットが機能しない場合であってもロボットシステムが正しく動作するための手段を提供できる。別の例で、ソフトロボットは、負傷者のような注意を要する対象を扱う能力をハードロボットに与える。さらに別の例で、ハードロボットは、或る専用の環境で動作するようにソフトロボットをカスタマイズしてもよい。
【０１７０】
ソフトロボット用の材料．
ソフトロボットに用いることができる材料のリストは、広範囲であって、伸長性材料についてはラテックス、ポリウレタン、ポリアクリレート、シリコーン、加硫ゴムなどのエラストマー、歪み制限膜については紙、ケブラー、綿、ナイロンなどの布を含む。材料の組み合わせについて例示的なリストを表１に示す。各組み合わせにより、駆動時の屈曲の程度が変化する。歪み制限体の弾性率／引張係数の差が増加すると、同じチャネル材料について屈曲の程度が増大する（例えば、歪み制限層で撓みが大きくなり、または曲率半径が小さくなる）。他の材料と材料の組み合わせは当業者には明らかであろう。
【０１７１】
【表１】
2015512795.tif 000003
【０１７２】
チャネルの設計と結びつけて材料を選択することにより、加圧する装置の応答が決定される。特定の大きさの駆動を達成するために必要な圧力は、材料の剛性に対応する。各組み合わせにより、駆動の際に種々の屈曲挙動が生じる。同じチャネル形状であれば、エラストマーと歪み制限布（または層）との間の弾性率の差が大きいほど屈曲は大きくなる。２つのシリコーンエラストマー（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社のＳｙｌｇａｒｄ  １８４））とエコフレックス００−３０（Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍｏｏｔｈ−ｏｎ．ｃｏｍにより製造されるシロキサン）について材料選択の効果が実証される。これらを用いる理由は、入手しやすく、容易に扱うことができ、互いによく結合して多層構造を形成し、比較的安価だからである。しかし、他の好適な材料の組み合わせについても容易に明らかになるであろう。ＰＤＭＳは透明でありショアＡ硬さは５０である。それは、弾性的であって繰り返し屈曲に耐えうるが、最大歪みが１５０％を超えると破壊される。その結果、ＰＤＭＳの変形は限られた範囲で生じ、構造体のより剛性の高いパーツ（屈曲するが伸びないパーツ）に適している。ＰＤＭＳは表１に示すように紙のような硬い材料と組み合わせて、可撓性成分として用いられてもよい。エコフレックスシリコーンは半透明であり、硬度はショアＡスケールより小さい。エコフレックスシリコーンは最大歪み９００％で破壊される。エコフレックスシリコーンはＰＤＭＳよりも可撓性が高く、それゆえより大きい歪み／変位を有するコンポーネント（すなわち駆動する層）に適している。エコフレックスシリコーンは非常に軟らかく、支持がないと自重で屈曲する（ＰＤＭＳの場合は充分に小さい）。ＰＤＭＳの層とエコフレックスシリコーンの層とを備えた複合材構造は、ＰＤＭＳの剛性とエコフレックスシリコーンの可撓性の釣り合いをとっている。
【０１７３】
他の実施形態で、デバイスの製造用には代替の材料が有用である。より剛性の高い材料（または、より引張係数が大きい材料）として、紙、織物、炭素ファイバ、ガラスファイバまたは金属ファイバを用いた複合材が可能である。他の実施形態では、チャネルの１つの壁に強化材を導入することにより、チャネルの壁に剛性が導入される。他の実施形態では、１つの壁を化学的に処理して剛性を高める。例として、ポリマー前駆体溶液をエラストマー可撓性ポリマーに含浸させ、次に所定のパターン内で硬化させてより剛性の高いポリマーを形成してもよい。
【０１７４】
例示的な上記実施形態において本開示を説明および図示してきたが、本開示は、単に例としてなされたものであり、本開示を実施する詳細において、本開示の精神と範囲から逸脱することなく多くの変更がなされるものであり、本開示は特許請求の範囲によってのみ限定されることが理解される。特許請求の範囲には、他の実施形態が包含される。
【図１】
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【図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】
2015512795.tif 000009
【図７】
2015512795.tif 000010
【図８】
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【図９】
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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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【国際調査報告】
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