MIT 研究者らが柔性センサーを開発 変形過程で三次元形状を再構築可能

MITの研究者らが柔性センサーを開発し、曲げ、折り畳み、ねじりの過程で自身の三次元形状を再構築できるようにした。この技術はロボットの遠隔操作、モーション追跡ウェアの作成、理学リハビリテーション過程での患者の進捗測定に役立つ。このシステムは柔軟な光ファイバーをシリコーンに埋め込み、伝送光の変化を利用して表面変形を追跡する。その後、ソフトウェアがこれらの測定結果をデジタル再構築に変換し、材料の動きにほぼリアルタイムで追従する。衣服に取り付けられた剛性センサーに依存するモーションキャプチャシステムとは異なり、この設計は感知表面に柔性要素を使用し、ファイバーが損傷しても全体形状の再構築能力を失わない。

研究者らは柔性ゴムコアを使用し、その周囲を黒色ゴムクラッドで覆った光ファイバーを作製した。各コアの片側を意図的に粗面化し、曲げに対する応答をより明確にした。光ファイバーが曲がると、一部の光がその経路から逸れる。粗面化された表面によりこの効果が曲げ方向に対してより敏感になり、研究者らは対向ポートから放出される光を測定することで各ファイバーの曲率を推定できるようになった。単一の光ファイバーでは一線に沿った曲率検出が可能だが、表面全体を再構築することはより大きな課題となる。MITのチームは複数の光ファイバーを伸縮性のあるシリコーンシートに埋め込むことでこの問題を解決した。

光ファイバーの設計と曲率測定

コンピュータシミュレーションが研究者らによる異なる光ファイバー配列の比較を助け、チェッカーボード模様とジグザグ模様が含まれていた。特定のジグザグ配置がシート形状の複雑な変化を捉える上で最も効果的であることが証明された。

研究者らはこの配列を用いて物理シートを作製した。LEDライトが光ファイバーを通じて光を送信し、対向ポートに位置するセンサーが出力を測定する。外部基板がこれらの読み取り値を収集し増幅する。アルゴリズムがこれらの測定結果をシートの三次元表現に変換する。デモンストレーションでは、研究者らが材料を対角線方向に折り畳むと、デジタル対応物が幾何形状の変化に合わせて変化した。また、精密な形状の3Dプリント金型にシートを置いて精度を評価した。MIT機械工学大学院生のQifan Yuによると、再構築された表面の誤差は0.4センチメートル未満である。

Yu氏によると、剛性センサーを使用する類似システムでは通常1〜2センチメートル程度の誤差が生じる。チームはまた、一部のファイバーが切断または断裂しても、シートが全体形状を再構築できることを示した。

理学療法への応用可能性

研究者らは、ユーザーがビデオゲームキャラクターを操作したりロボットを遠隔操作したりできるウェアを構想している。この技術は理学療法士がリハビリテーション過程で患者の可動性を測定するのにも役立つ。療法士は材料を患者の腕や脚に巻き付けて動作と可動域を記録できる。繰り返し測定により、臨床医が異なるセッション間での可動性を比較し、回復状況を評価するのに役立つ。共同著者であるMIT機械工学助教授のKaitlyn Becker氏は、この技術が療法士による患者評価の経時的比較を支援すると述べている。

今後の改良計画

チームは現在、ファイバーをより薄くする計画だ。現在のファイバーは約1ミリメートルの太さだが、改良された製造法により厚さを数十マイクロメートルまで縮小できる可能性がある。より薄いファイバーにより、研究者らはウェアにより多くの感知素子を埋め込めるようになり、身体動作のより細かな詳細を捉えることが可能になる潜在的がある。

この研究は『Advanced Intelligent Systems』誌に掲載された。

柔性センサーの応用可能性と課題

この技術の開発は、柔性センサーが遠隔操作や理学リハビリテーション分野を中心に多様な応用において可能性を持つことを示している。センサーが変形過程で三次元形状を正確に再構築できるようになることで、モーションキャプチャの精度が向上するだけでなく、医療専門家が患者のリハビリ進捗をより効果的に監視できるようになる。今後、光ファイバー技術の更なる改良により、これらのセンサーが高精度なモーション追跡を必要とする場面を中心に、より広範な応用で重要な役割を果たすことが期待される。