中村 太郎 Taro Nakamura

理工学部 教授

Professor, Faculty of Science and Engineering

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生物型ソフトロボットでイノベーションを起こす
Creating Innovation with Biological Soft Robots

私は小さい頃から虫が大好きで、ロボット研究者になってからも、ミミズやアメンボ、カタツムリといった生きものにヒントを得た「生物型ロボット」の研究をしてきました。当初は、これらの生物の動きを忠実に再現できるロボットを目指していました。しかし、実際にこれらのロボットを発表すると、宇宙、建設インフラ、医療用等、産業界のさまざまな分野の方から、私には思いもつかなかった応用の提案があり、共同研究を実施してきました。201720年には、中央大学で初となるベンチャー「SoLARIS(ソラリス)」( https://solaris-inc.com/ )を起業しました。「ミミズ型ロボット」や「蠕動運動ポンプ」など、生物型ロボットは研究室を飛び出し、革新的な社会実装に向けて、未来を動かし始めています。

I have loved insects since I was a child, and since becoming a robotics researcher, I have been working on "biological robots" inspired by living things such as worms, water striders, and snails. Initially, my goal was to create robots that could reliably mimic the movements of these organisms. However, when these robots were actually presented in the literature, professionals from various fields in the industrial world, such as space, construction infrastructure, and medical fields, proposed applications I had never considered; hence, I have been conducting joint research with these professionals. In 2017, I launched my first venture company "SoLARIS" at the Chuo University. Our biological robots, which include "worm robots" and "peristaltic pumps," are starting to move out of the laboratory, towards future innovative social applications.

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Research 01

細管内検査ロボット

ミミズ型ロボット

Intrabronchial Inspection Robot

Earthworm Robot

ミミズのようにくねらせる動きを蠕動(ぜんどう)運動と言います。この動きは、以下の4つ理由から、非常に細管内ロボットに適しています。
1. 移動する面積が小さく、細管内を移動するのが得意
2. 牽引力が大きく、長距離や複雑管の移動が得意
3. 本体の中を空洞にできるので、内側にカメラやメンテナンス機器を搭載可能
4. 柔軟な構造なので、管内の構造が変わっても、周辺環境に合わせて対応可能
現在、このような特徴を生かして、複雑な細管内の検査ロボットや、地中掘削ロボット、清掃ロボット等としての応用が検討されています。

The wriggle-like motion of worms, such as earthworms, is called peristalsis. This movement is well-suited to microtubule robots for the following four reasons.
1.It allows them to move through narrow tubes with limited areas.
2.It enables them to move long distances through complex tubes, with large traction forces
3.Because this movement allows the robot’s body to be hollowed out, cameras and maintenance equipment can be mounted inside.
4.It facilitates a flexible structure, which makes it adaptible to surrounding environments, regardless of the alterations in the structure of the pipe.
Currently, these features are being considered for applications in robots such as inspection robots in complex microtubules, underground-excavation robots, and cleaning robots.

この研究が世の中にもたらす可能性

Research Possibilities: what the research create to the World

医療業界・製造業界

Medical and manufacturing industries

人間や他のロボットでは入れない細管内や不整地、地中での移動が可能となるため、レスキューや医療、工場配管、下水道管、ガス管等の各種配管の検査ロボットとしての活用や、住宅のダクト清掃ロボットとしての活用が期待されています。

This robot can be operated in environments where humans and other robots cannot reach, such as small pipes, rough terrains, and underground enviroments. Therefore, it is expected to be applied as a rescue and medical robot, an inspection robot for various pipes, such as factory, sewer, and gas pipes, and as a duct-cleaning robot for houses.

Research 02

人工筋肉で腸の動きを再現!革新的な混合搬送技術

蠕動運動ミキシングポンプ

Artificial muscles reproduce the movement of intestines! Innovative mixed transport technology.

Peristaltic mixing pump

人間の腸も蠕動運動で食塊を効率よく運搬しています。運動パターンを変化させて、食塊を適度な柔らかさになるよう混合しています。私たちは空気圧人工筋肉による蠕動ポンプを開発し、この腸の蠕動運動を再現することで、粉体と流体の混合や、超高粘度流体や固液混合の搬送を同時に行うことを実現しました。また、腸には多くの神経細胞が存在し、ネットワーク形成して、脳から独立して自律的に運動しています。この蠕動ポンプにも様々なセンサを搭載し、これらを機械学習(AI)によって統合することで、搬送混合物の状態をセンシングしたり、自ら「考えて」駆動する技術も確立しているところです。

Via peristalsis, the human intestine transports bolus efficiently. By changing the movement pattern, it mixes the bolus to an appropriate level of softness. We developed a peristaltic pump using pneumatic artificial muscles, and by reproducing the peristaltic motion of the intestine, we realized the simultaneous mixing of powders and fluids, as well as the transportation of ultra-high viscous fluids and solid-liquid mixtures. In addition, there are several nerve cells in the intestine that form networks and move independently of the brain. This peristaltic pump is also equipped with a variety of sensors, and by integrating these sensors via machine learning (AI), we are in the process of establishing technology for sensing the state of the transported mixture, and driving it by “thinking” on its own.

この研究が世の中にもたらす可能性

Research Possibilities: what the research create to the World

食品業界、化学業界、建築業界など

Food industry, chemical industry, construction industry, etc.

この蠕動ポンプは、食品や化学工場の混合搬送連続プロセスへの導入や、詰まりやすいパイプラインへの部分的な適用に向いています。また建築現場における掘削土砂の揚重や排土処理、セメントの混合搬送など、その応用先は広いと考えています。

This peristaltic pump can be adopted to continuously mix and convey processes in food and chemical plants, and for partial application in pipelines that are prone to clogging. It is also suited to a wide range of applications, such as lifting excavated soil at construction sites, waste soil disposal, and mixing and conveying cement.

Research 03

柔らかいけれど力強い! 筋肉のようなアクチュエータ

高出力!空気圧で動く人工筋肉

Soft but powerful! Actuator like a muscle

High power! Artificial muscles powered by air pressure

この空気圧で動く人工筋肉は、従来のMcKibben型人工筋肉に比べて、同形状・同圧力下でも4倍の力が出る軽量で高出力なソフトアクチュエータです。この人工筋肉を使って、ウェアラブルな上腕アシスト装置や、リハビリ・トレーニング装置、バーチャルリアリティにおける装着型の力学的提示装置などの開発を行っています。また、この人工筋肉の動きは、前述の「ミミズロボット」や「蠕動ポンプ」にマッチしており、これらの生物型ソフトロボットのアクチュエータとしても使用されています。

This pneumatically actuated artificial muscle is a lightweight, high-power soft actuator that produces four times the force generated by conventional McKibben-type artificial muscles, under the same shape and pressure. Using this artificial muscle, we are developing a wearable upper arm assist device, a rehabilitation and training device, and a wearable mechanical device for presentations in virtual reality. In addition, the movement of this artificial muscle matches that of the aforementioned “worm robot” and “peristaltic pump;” henece, it is also employed as an actuator for these biological soft robots.

この研究が世の中にもたらす可能性

Research Possibilities: what the research create to the World

農業分野、製造現場、建設分野

Agricultural field, manufacturing site, construction field

高出力でありながら、小型・軽量な人工筋肉なので、ウェアラブルな装置として作業のアシストやリハビリといった人間との協調運動に非常に適しています。このようなアシスト装置は、農業分野、製造現場、建設分野など、さまざまな産業分野に応用が可能です。また上記のように、蠕動運動の動きにも適するため、その動きをする装置のアクチュエータとしても活躍が期待できます。

Because the artificial muscle is small and light-weight, while generating high power, it is well-suited to wearable devices for work assistance and coordinated movements with the human body for rehabilitation. Such an assistive device can be applied to various industrial fields such as agriculture, manufacturing sites, and construction. In addition, as mentioned above, because it is suited to peristaltic motion, it can be expected to be adopted as an actuator for devices that perform such motion.

これまでの産学官連携事例

Collaborations

国土交通省・
管清工業

Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism and Kansei Co., Ltd.

2018/4 – 2020/3

カメラを搭載したミミズ型ロボットにより
地中の老朽化した下水管内の保守点検を行う

Maintenance and inspection of aging underground sewage pipes using a worm-shaped robot equipped with a camera.

国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)・竹中工務店

New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), Takenaka Corporation

2018/7 – 2020/6

大深度・極限環境下での掘削作業に向けて
蠕動ポンプにより掘削工事の土砂を搬送する

Transporting earth and sand for excavation work using a peristaltic pump in deep and extreme environments.

宇宙航空研究

開発機構(JAXA)

Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)

2018/4 – 2020/3

ロケット燃料を蠕動ポンプで混ぜながら運ぶ技術の実用化検討

Study on the practical application of technology to transport rocket fuel while combining it with a peristaltic pump.

日本ウィントン

Winton Japan Co., Ltd.

2018/4 – 2019/3

住宅等の細長いダクトを清掃するミミズ型ダクト清掃ロボットの開発

Development of worm-type duct cleaning robot to clean long and narrow ducts in houses.

右川ゴム製造所

Ukawa Rubber Mfg. Co., Ltd.

2018/4 –

空気圧ゴム人工筋肉の長寿命化とその製造手法の検討

Study on longer-lasting pneumatic rubber artificial muscles and its manufacturing method.

実績

Achievements

2011

受賞|Prize

文部科学大臣表彰 若手科学者賞

2011

著作|Book

中村 太郎(単著)「図解 人工筋肉 ソフトアクチュエータが拓く世界」日刊工業新聞社

2007

論文|Journal

Taro Nakamura and Hitomi Shinohara, “Position and Force Control Based on Mathematical Models of Pneumatic Artificial Muscles Reinforced by Straight Glass Fibers”, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4361-4366

2010

論文|Journal

Kazuyuki Suzuki, Taro Nakamura, “Development of a Peristaltic Pump Based on Bowel Peristalsis Using for Artificial Rubber Muscle”, Proceedings of The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.3085-3089

2021

論文|Journal

F. Ito, K. Takaya, M. Kamata, M. Okui, Y. Yamada, and T. Nakamura, “In-Pipe Inspection Robot Capable of Actively Exerting Propulsive and Tractive Forces With Linear Antagonistic Mechanism,” IEEE Access, vol. 9, pp. 131245-131259

2013

特許|Patent

中村太郎, 山本健二, 流体注入型アクチュエータ,PCT:JP2008/058605,特許第・5246717号

2013

特許|Patent

中村太郎,堀裕貴,舟橋幸祐,管内自走装置および筒状伸縮体,特許第5246687号

2013

特許|Patent

中村太郎,鈴木一将,他2名,ポンプユニット,ポンプ及びポンプ装置,特許第5371037号

経歴

Career

1999

信州大学大学院博士後期課程修了

Completed doctoral course at Shinshu University

1999-2004

秋田県立大学助手

Research Assistant, Akita Prefectural University

2004-2006

中央大学専任講師

Full-time Lecturer, Chuo University

2006-2013

中央大学准教授

Associate Professor, Chuo University

2012-2013

スイス連邦工科大学ローザンヌ校 visiting prof.

Visiting Professor at Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne

2013-現在

中央大学教授

Professor, Chuo University

Photographer:Kato Hajime Editor:Akina Horikawa

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