ソフトロボット開発ガイド

3Dプリンティングを用いたソフトロボット製造：柔らかい材料の選定と設計上の注意点

ソフトロボットの研究開発において、プロトタイピングや最終的な構造体の製造に3Dプリンティング技術は非常に有効な手段となっています。特に、複雑な内部構造や、異なる柔軟性を持つ部分を一体成形できる点は、従来の製造方法では困難であったソフトロボット特有の形状を実現する上で大きな利点となります。本記事では、ソフトロボット製造のために3Dプリンティングを活用する際の、柔らかい材料の選定と設計における基本的な注意点について解説します。

ソフトロボット製造における3Dプリンティングの利点

ソフトロボットは、その柔らかさや変形能力を活かして、人間とのインタラクションや不定形な物体操作など、従来の剛体ロボットでは難しかったタスクへの応用が期待されています。このような特性を実現するためには、柔らかい材料を用いたり、複雑な空気圧チャンネルやセンサを内蔵したりする構造が必要となります。

3Dプリンティングは、このような要求に対して以下の利点を提供します。

• 複雑な形状の実現: 内部に空洞やチャンネルを持つ構造、自由曲面、ラティス構造など、切削加工や射出成形では難しい複雑な三次元形状を比較的容易に作成できます。
• 迅速なプロトタイピング: 設計変更があった場合でも、データを修正してすぐに造形を開始できるため、設計と試作のサイクルを迅速に回すことが可能です。
• 多材料への対応: 一部の方式では、複数の異なる材料を組み合わせて一度に造形することも可能です。これにより、部分的に硬さが異なる構造や、センサ機能を埋め込んだ構造などが実現できます。
• カスタマイズ性: 研究目的や特定のタスクに合わせて、形状やサイズを容易に変更できます。

ソフトロボットに適した3Dプリンティング方式

個人レベルや研究室で導入しやすい3Dプリンティング方式にはいくつか種類がありますが、ソフトロボット製造で特によく用いられるのは以下の方式です。

• FDM (Fused Deposition Modeling/熱溶解積層法): フィラメント状の熱可塑性樹脂を加熱溶解し、ノズルから押し出しながら積み重ねていく方式です。比較的安価な装置が多く、TPU (Thermoplastic Polyurethane) や TPE (Thermoplastic Elastomer) といった柔らかいフィラメントが豊富に利用できます。ただし、積層痕が残りやすく、細かいディテールや複雑な内部構造の造形には限界がある場合もあります。
• SLA (Stereolithography/光造形法) / DLP (Digital Light Processing): 紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させながら積み重ねていく方式です。FDMと比較して高精細な造形が可能で、滑らかな表面が得られます。軟質のレジンも複数種類が開発されており、FDMでは難しい繊細な構造や内部チャンネルも実現しやすいですが、材料コストはFDMより高くなる傾向があります。

これらの方式以外にも、粉末材料を結合剤やレーザーで固める粉末床溶融結合法（SLSなど）や、複数の異なる材料を同時に噴射して造形するMaterial Jetting方式などがありますが、研究室レベルで手軽に導入できるのはFDMやSLA/DLPが一般的です。

柔らかい材料の選定

ソフトロボットに用いる柔らかい材料は、アクチュエーションやセンシングの原理、必要な変形特性に応じて慎重に選定する必要があります。主な柔らかい3Dプリンティング材料とその特徴は以下の通りです。

• TPU (Thermoplastic Polyurethane): FDM方式で広く使われる柔軟性のあるフィラメントです。ゴムのような弾性があり、様々な硬度（Shore硬さ）のものが市販されています。比較的安価で扱いやすいですが、吸湿しやすい性質があるため保管には注意が必要です。
• TPE (Thermoplastic Elastomer): TPUと同様にFDMで用いられる熱可塑性エラストマーの総称です。TPUよりもさらに柔らかいものも存在しますが、フィラメントの柔軟性が高すぎるとプリンタの送り出し機構で座屈しやすいなど、造形難易度が上がる場合があります。
• 軟質レジン: SLA/DLP方式で用いられる紫外線硬化樹脂のうち、柔軟性を持つものです。Shore A硬度で数段階のものが提供されています。FDMのTPU/TPEと比較して、より高精細で滑らかな造形が可能ですが、造形後の洗浄や二次硬化といった後処理が必要です。

材料を選定する際は、以下の点を考慮します。

• 必要な柔らかさ（硬度）: ロボットの機能に求められる変形特性や力に応じて、適切な硬さの材料を選びます。Shore硬さ（AスケールやDスケールなど）を参考にします。
• 弾性率と降伏強度: どの程度の力でどのくらい変形するか、また破壊せずに耐えられる力はどのくらいかを評価します。
• 耐久性: 繰り返し変形や応力にどれだけ耐えられるか（疲労特性）を確認します。
• 気密性/水密性: 空気圧や液体圧を用いるアクチュエータの場合、造形物の気密性・水密性が重要です。SLA/DLPの方が気密性の高い構造を作りやすい傾向があります。
• コスト: 材料価格と装置コストを考慮し、予算に合ったものを選びます。
• 造形性: 使用する3Dプリンタとの相性や、造形難易度も重要な考慮点です。

柔らかい材料を用いた設計上の注意点

剛体構造を設計するのとは異なり、柔らかい材料でソフトロボットを設計する際には、材料の特性を理解し、いくつかの点に注意する必要があります。

1. 材料の柔軟性を考慮した構造設計

• 肉厚: 柔らかい材料は剛性に乏しいため、必要な剛性や強度を確保するためには、剛体材料で設計する場合よりも肉厚を厚くする必要がある場合があります。しかし、厚すぎると変形しにくくなるため、目的とする機能に応じて適切な肉厚を検討します。
• 座屈: 細長い構造は、圧縮や曲げ応力に対して座屈しやすい性質があります。特に柔軟な材料では顕著です。これを避けるためには、適切な断面形状を選んだり、内部に支持構造を設けたりする工夫が必要です。
• サポート材: 柔らかい材料はサポート材との密着が強く、除去が困難な場合があります。特にFDM方式では、サポート材除去後に表面が荒れやすい傾向があります。設計段階でサポート材が少なくなるような向きを検討したり、水溶性サポート材の利用を検討したりします。

2. 造形方向と積層の影響

FDM方式では、造形方向によって機械的特性（強度や柔軟性）が異方性を持つ場合があります。これは、層間の接着強度が層内部の強度よりも低いことに起因します。最大の応力がかかる方向に対して、層が剥離しにくいような造形方向を選択することが重要です。また、層の厚さ（積層ピッチ）も表面の滑らかさや強度に影響します。

3. 流体チャンネルや中空構造の設計

空気圧や液体圧で駆動するソフトアクチュエータの多くは、内部に流体を封入するためのチャンネルやチャンバー（空洞）を必要とします。

• セルフサポート: 3Dプリンティングでは、基本的に前の層の上に材料を積んでいきます。角度がきついオーバーハング（下の層がない部分）や完全に閉じた空間を作る場合、サポート材が必要になります。流体チャンネルは、造形中にサポート材なしで形成できるような断面形状（例えば、上部がアーチ状や円状）や、サポート材が除去しやすい開口部を設けるといった設計上の工夫が有効です。SLA/DLP方式はFDMよりも細かいチャンネルや複雑な内部構造の造形に適していますが、未硬化レジンを内部から完全に洗浄・除去する工夫が必要です。
• 気密性: 内部に圧力をかける構造では、造形物の気密性が非常に重要です。特にFDMでは、層間の隙間から空気が漏れる可能性があります。積層ピッチを小さくしたり、層間の接着を強める設定（温度や流量）を調整したり、造形後に表面をコーティングしたりするなどの対策が必要になる場合があります。SLA/DLPは比較的気密性の高い構造を作りやすいですが、適切な洗浄と二次硬化が不可欠です。

4. 多材料プリンティングの活用

特定の機能を実現するために、異なる硬さや特性を持つ材料を組み合わせたい場合があります。例えば、柔らかく変形する部分と、センサや部品を取り付けるための硬い部分を一体で造形するなどです。一部の高性能な3Dプリンタでは多材料プリンティングが可能ですが、安価なFDMプリンタでも、複数のエクストルーダーを持つ機種であれば、異なる種類のフィラメント（例: TPUとPLA）を組み合わせて造形することも技術的には可能です（材料間の接着性などに課題はあります）。

簡単な実践のヒント

これからソフトロボット製造のために3Dプリンティングを始める場合、まずは比較的安価で扱いやすいFDM方式のプリンタとTPUフィラメントから始めるのがおすすめです。

1. プリンタの選定: TPUフィラメントの造形に対応したFDMプリンタを選びます。特にフィラメントの送り出し機構（エクストルーダー）がTPUのような柔らかい材料に適しているかを確認します。ダイレクトドライブ方式の方がボーデン方式よりもTPUの造形に向いている傾向があります。
2. 材料の選定: 必要な柔らかさに応じたShore硬度のTPUフィラメントを選びます。硬度が高いほど造形は容易になりますが、その分柔らかさは失われます。Shore A 95A程度のものが比較的扱いやすいでしょう。
3. 設計ツール: 3D CADソフトウェア（Fusion 360, SolidWorks, FreeCADなど）やメッシュモデリングツール（Blenderなど）を用いて、ソフトロボットの構造を設計します。
4. スライサー設定: 3Dモデルをプリンタ用のデータに変換するスライサーソフトウェア（Cura, PrusaSlicerなど）で、TPUに適した設定（造形温度、積層ピッチ、造形速度、リトラクト設定など）を行います。リトラクト設定は特に重要で、柔らかいフィラメントはノズルから垂れやすいため、糸引きを抑えるために適切な設定が必要です。
5. 簡単な構造から試す: まずは、内部に空気圧チャンネルを持つ単純なベンディングアクチュエータ（指のような構造）など、基本的な形状から試作してみることを推奨します。

まとめ

3Dプリンティングは、ソフトロボットが持つユニークな特性を実現するための強力なツールです。特に柔らかい材料を用いたり、複雑な内部構造を一体成形したりする際にその威力を発揮します。適切な3Dプリンティング方式と材料を選定し、材料の柔軟性を考慮した設計上の注意点を押さえることで、アイデアを迅速に形にし、ソフトロボットの研究開発を効果的に進めることが可能になります。

最初はシンプルな構造から始めて、徐々に複雑な構造や多機能な設計に挑戦していくことで、3Dプリンティングがソフトロボット開発にもたらす可能性を最大限に引き出すことができるでしょう。