SOFT ROBOTICS

Resilient and Flexible Electrohydrodynamics Pumps for Human–Machine Interfaces

ソフト流体システムは、液圧アクチュエータ、液体ディスプレイ、サーマルハプティクスなどのヒューマン・マシン・インターフェースを設計するための汎用的なツールとして注目を集めています。しかし、流体循環に必要なポンプやバルブは、かさばり、騒音、剛性が高いため、フレキシブルでポータブルな機器には使用できません。本研究では、絶縁破壊に強いEHD駆動型フレキシブルポンプを提案します。これまでのEHDポンプは、静音性や高出力密度などの優れた特徴にもかかわらず、誘電破壊とそれに続く永久故障に悩まされてきた。新しい電極構造を持つこのポンプは、絶縁破壊が発生しても外部からの入力なしにEHDに不可欠な絶縁を回復する受動的回復力を備えています。我々のポンプの受動的回復力は、様々なシナリオで実証されている。特に、このポンプは100回の絶縁破壊に耐え、その性能の90%を維持しています。またこのシステムは、気泡やその他の不純物を自動的に除去し、流量発生を自動的に回復します。我々のEHDポンプは、ソフトアクチュエータ、義手、チューブ型ディスプレイなど、さまざまなソフト流体駆動のヒューマン・マシン・インターフェースを駆動することが可能であることを示しました。

Soft fluidic systems can be a versatile tool to design human–machine interfaces such as hydraulic actuators, liquid displays, and thermal haptics. Yet the bulkiness, noise, and rigidity of pumps and valves required for fluid circulation prevent their use in flexible and portable devices. This study introduces an electrohydrodynamic (EHD) driven flexible pump with resilience against dielectric breakdown. Previous EHD pumps, despite their excellent features such as quietness and high power density, suffer from dielectric breakdowns and subsequent permanent failures. This pump with novel electrode construction has the passive resilience to recover the insulation essential for EHD without any external input in the event of dielectric breakdown. The passive resilience of our pump is demonstrated in various scenarios. Notably, this pump withstands 100 dielectric breakdowns and maintains 90% of its performance. An active resilient system is also configured to enable continuous pumping. This system automatically removes bubbles and other impurities to recover flow generation. This pumps drive various soft fluid-driven human-machine interfaces like soft actuators, prosthetic hands, and tube-format displays. The combination of passive resilience inherent in the pump and active resilience configured by the system ensures adaptability and robustness, setting the stage for the next generation of human–machine interfaces. 

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202416502

Pocketable and smart EHD pump for clothes

本研究では、衣服内の快適性を向上させるために開発された、超小型・軽量なスマート電気流体力学（Electrohydrodynamic, EHD）ポンプが紹介されています。このポンプは約10 g、10 × 2 × 1.05 cmのサイズで、シャツのポケットにも収まる携帯性を備えています。最大で衣服内温度を±3 °C変化させることが可能で、冷却・加温の両方に対応します。特筆すべきは、流体の流れを自ら検知する「自己センシング機能」を搭載しており、追加のセンサーなしに詰まりなどのトラブルをリアルタイムで把握できます。また、スマートフォンからの無線制御が可能で、ユーザーが直感的に操作できる設計になっています。静音性にも優れており、日常生活の中で自然に着用できるスマートウェアへの応用が期待されます。EHDの理論モデルの実証と共に、将来的なウェアラブルデバイスの設計における重要な技術基盤を提供する研究成果です。 

Seamlessly fusing fashion and functionality can redefine wearable technology and enhance the quality of life. We propose a pocketable and smart electrohydrodynamic pump (PSEP) with self-sensing capability for wearable thermal controls. Overcoming the constraints of traditional liquid-cooled wearables, PSEP with dimensions of 10 × 2 × 1.05 cm and a weight of 10 g is sufficiently compact to fit into a shirt pocket, providing stylish and unobtrusive thermal control. Silent operation coupled with the unique self-sensing ability to monitor the flow rate ensures system reliability without cumbersome additional components. The significant contribution of our study is the formulation and validation of a theoretical model for self-sensing in EHD pumps, thereby introducing an innovative functionality to EHD pump technology. PSEP can deliver temperature changes of up to 3 °C, considerably improving personal comfort. Additionally, the PSEP system features an intuitive, smartphone-compatible interface for seamless wireless control and monitoring, enhancing user interaction and convenience. Furthermore, the ability to detect and notify users of flow blockages, achieved by self-sensing, ensures an efficient and long-term operation. Through its blend of compact design, intelligent functionality, and stylish integration into daily wear, PSEP reshapes the landscape of wearable thermal control technology and offers a promising avenue for enhancing personal comfort in daily life. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c15274

誘電性エラストマーアクチュエータ(DEA: Dielectric elastomer actuator)は大変形するため，人工筋肉への応用が期待されています．DEAは，電気エネルギーを直接的に力学的な仕事に変換します．アクチュエータだけでなく，センサ，エナジーハーヴェスティングデバイスとして使用することができます．軽量で伸縮性が高く，静電原理で動作するため、弾性エネルギー密度が高く、応答速度が速いことが特徴です．1990年代後半から研究されており，多くのプロトタイプ・アプリケーションが提案されています．一方で，ファブリケーションは様々な課題があるため，工学的な基礎研究が必要です．

The DEA, a soft actuator, deforms largely as an artificial muscle. DEAs directly convert electrical energy into mechanical work. DEA can be used not only as an actuator but also as a sensor and energy harvesting device. DEAs are lightweight, stretchable, and operate via an electrostatic mechanism, resulting in a high elastic energy density and fast response time. they have been studied since the late 1990s and many prototype applications have been proposed. On the other hand, fabrication presents various challenges and requires fundamental engineering research.

本研究では，迅速で信頼性が高く，低コストでDEAを製造するための新しい方法が報告しました．この方法では，ブラシを使ってカーボンナノチューブ粉末をシリコンエラストマーに直接塗布し，硬化剤と主剤のポリマーの混合比を調整することで，エラストマーの機械的特性や表面の接着性を最適化しました． 

Novel strategies are reported to achieve fast, reliable, and low-cost fabrication of DEAs. The strategies utilize a soft brush to directly pattern carbon nanotube (CNT) powder on the elastomer membrane and tune the mechanical and surfaceadhesiveness characteristics of a polydimethylsiloxane (PDMS) membrane by altering the mixing ratio of the curing agent and base polymer. 

Ardi Wiranata, Yasuyuki Ishii, Naoki Hosoya, Shingo Maeda, Simple and reliable fabrication method for polydimethylsiloxane dielectric elastomer actuators using carbon nanotube powder electrodes, Adv. Eng. Mater., 23, 2001181, 2021.

アンテザードシステムは，ソフトロボットの幅広い応用を実現することができます。我々は，アンテザードDEAホイール（UD-wheel）を開発しました．このUDホイールは、アンテザードシステムと積層型DEAを統合した新しい回転装置です．アンテザードシステムは，小型バッテリーと小型高電圧回路で構成されています．すべての部品はシームレスに組み立てられています．回路は4つのDEAを制御できるため，小型バッテリーで回路がDEAを制御し続けるアクティブ時間が推定されます．UDホイールに搭載した積層型DEAの出力トルクとバックドライバビリティを評価しました．また，詳細な評価のために理論モデルを構築しました．積層型DEAは減速機がある仕組みよりも優れたバックドライバビリティを提供しました．本研究では，我々のアンテザード回転システムがソフトロボティクスにおいて新たな機能を提供する可能性を示唆しています． 

An untethered system can realize wide-area activities of soft robots. Herein we develop an untethered DEA wheel (UD-wheel) with a dielectric elastomer actuator (DEA). This UD-wheel is a new rotating device that integrates an untethered system and stacked DEAs. The untethered system consists of a small battery and a small high-voltage circuit. All the components are assembled seamlessly. Because the circuit can control four DEAs, the active time that the circuit continues to control the DEAs with a small battery is estimated. The estimated time matches the experimental result. We evaluated the output torque and back-drivability achieved by stacked DEAs installed in a UD-wheel. We also built a theoretical model for an in-depth evaluation. The stacking DEAs method provides a better back-drivability than the reducer method. This study suggests that our untethered rotational system may provide novel functions in soft robotics.

A. Minaminosono, H. Shigemune, T. Murakami, S. Maeda, “Untethered stacked DEA wheel with a stacked dielectric elastomer actuator”, Smart Materials and Structures, 30, 065007, 2021.

伸縮性センサは，人間の体の関節で発生する大きなひずみを測定することができます．一般的に，カーボンナノチューブ（CNT）を基にした伸縮性抵抗センサーの特性では，繰り返しひずみを加えることで基準抵抗が増加し，感度を示すゲージファクタ（GF）は一定ではありません．これらの特性は，CNTのネットワーク構造の破壊に関連しています．本研究では，線形な感度を持つ抵抗型ひずみセンサを製造するための予ひずみ法を提案しました．この方法では，ひずみを加えたエラストマー上にCNTネットワーク構造が形成されるため，CNTネットワークがひずみに耐えると期待しました．電極を観察した結果，この方法が凝集したCNTを整列させ，CNTの密度を変化させ，ネットワーク構造を強化することを発見しました．

Stretchable sensors can measure large strains generated in the joints of the human body. Generally, in the characteristics of carbon nanotubes based stretchable resistive sensors, the reference resistance increases with repeated strain, and the gauge factor which indicates sensitivity is not constant. These characteristics are related to the rupture of the CNT networks. This study proposes a pre-strain method to produce the resistive strain sensor with linear sensitivity. In this method, since the CNT network is formed on a strained elastomer, we expected that the CNT networks withstand the strain. By observing the electrodes, we discovered that this method aligned the agglomerated CNTs, changed the density of the CNT, and strengthened the networks. 

A. Minaminosno, Y. Ohsugi. Y. Yamaguchi, A. Wiranata, N. Hosoya and S. Maeda, “Pre-strain method for stretchable strain sensors with linear sensitivity using acrylic elastomer and CNTs powder”, IEEE Access, 11, 125790, 2023. 

吸盤は接着や把持装置として一般的に使用されています．本研究では，吸盤本体の底面に伸縮可能な電極と絶縁層からなるソフトパッドを接着した静電力と吸盤を融合したデバイスを開発します．伸縮電極が対象物との間に静電力を発生させると，ソフトパッドが変形し，対象物との隙間を埋めます．ソフトパッドが柔らかいため，その隙間から入ってくる空気の量は通常の吸盤に比べて大幅に減少します．伸縮電極に高電圧を印加すると，滑らかな表面でも粗い表面でも，吸盤の法線方向の保持成功率が高まることが分かりました．吸盤内部の負圧を測定すると，平滑面でも粗面でも静電気力によって吸着力が維持されていることが確認でき，静電力とソフトパッドの伸縮性により，吸盤の吸着力が大幅に向上することを明らかにしました．

Suction cups are commonly used as adhering and grasping devices. This study proposes a methodology to expand the applicability of suction cups. A suction cup is developed with a soft pad which consists of stretchable electrodes and insulating layers that bond to the bottom of the main body of the suction cup. When the stretchable electrodes generate an electrostatic attraction between the electrodes and the object, the pad deforms, filling the gaps between the pad and the object. Due to the soft pad, the amount of incoming air is significantly reduced compared to a normal suction cup. Experiments reveal the effect of these features. Applying a high voltage to the stretchable electrodes increases the holding success ratio of the suction cup in the normal direction for smooth and rough surfaces due to the stretchable electrodes. Measuring the negative pressure inside the suction cup confirms that the electrostatic force maintains the adhesion force on both smooth and rough surfaces. Thus, the electrostatic force and stretchability of the soft pad greatly increase the adhesion force of the suction cup. Furthermore, the electrostatic force prevents a slip of the suction cup, which improves the performance of the suction cup. 

Y Okuno, H Shigemune, Y Kuwajima, S Maeda, "Stretchable suction cup with electroadhesion", Advanced Materials Technologies 4 (1), 1800304, 2019.

近年，ドローンを使った物体運搬の需要が急速に高まっている．本研究では、平面を把持する能力を有するユニバーサルなジャミング保持システムを提案します．一般的に，ジャミンググリッパーは平面を把持することができません．我々は，伸縮可能な膜と球状の形状をグリッパーに導入し，平らな表面を把持できることを力学的に示しました．我々は，伸縮可能な膜が物体に付着すると，その接触部分で伸縮可能な膜が自発的に微細な吸盤のような構造を形成すると仮定し，モデルを考えました．我々のジャミング・グリッパーは，この吸盤のような構造の効果によって平らな物体を把持することができます．我々のジャミンググリッパーは電磁弁を動力源とする空気圧回路で動作するため，エネルギーを消費することなくドローンに物体を保持させることができます．我々のグリッパーは，金属，アクリル，氷，その他の表面に対しても良好な吸着力を発揮します．我々のグリッパーの把持力は，押し付け力に依存しないことも分かりました．

The demand for drone-based object transportation has been rapidly growing recently. Current drones face limitations in their ability to grasp objects on the flat surface. To address this issue, our study presents a universal jamming holding system with the capability to grasp flat surfaces. In general, jamming grippers cannot grasp flat surfaces. Here we have introduced a stretchable membrane and spherical shape to the gripper, allowing our jamming gripper to grasp flat surfaces. We assumed that when the stretchable membrane attaches to an object, the stretchable membrane spontaneously forms microscopic suction cup-like structure at the contact area. Our jamming gripper then can grasp flat objects by the effect of the suction cup-like structure. Our jamming gripper is ideal for drone mounting as it maintains the center of gravity during the gripping process and can operate with low positional accuracy. In addition, our jamming gripper operate on a pneumatic circuit powered by a solenoid valve, allowing our drone to hold objects without consuming energy. Our experimental results demonstrated that an acrylic plate could support a load of 945 g on a flat surface at a filling rate of 75%. Our gripper also has a good adsorption force on metal, acrylic, ice, and other surfaces. The gripping force of our grippers is independent of the pressing force. Our jamming gripper can be mounted on a drone and controlled wirelessly to perform grasping movements autonomously, making them highly versatile. It can be applied to various situations where the shapes of objects to be grasped are uncertain, such as delivery of goods to remote areas or sample collection.

R. Toyoda, Y. Yamada, Z. Mao, Y. Kuwajima, T. Sugisaki, A. M. N. N. Senevirathna, C. Premachandra, N. Hosoya, S. Maeda, "A stretchable jamming gripper grasping flat object",  IEEE Access, 12, 48764-48773, 2024.