早稻田大學理工學術院綜合研究所次席研究員大谷拓也和該學術院創造理工學部教授高西淳夫等人組成的研究團隊，宣佈與hide kasuga 1896、三井化學共同成功開發出了超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）製造的輕量、低摩擦機器人齒輪。相較於使用金屬齒輪，搭載了該齒輪的機器人手指部分能耗降低約3%，重量減輕約89%。有望以此開發出節能、驅動聲小、易於社會應用的機器人。研究成果展示活動將於12月16日在gallery de kasuga（位於東京都澀谷區神宮前）舉辦。相關成果已發表在美國電氣及電子工程師學會發行的《IEEE access》9月19日版上。
安裝了蝸桿齒輪的機器人指部。右下爲此次製造的兩個蝸桿齒輪（右爲金屬制，左爲LUBMER制）（供圖：早稻田大學 大谷拓也）
機器人工作時消耗的能源主要爲電動機電力，能耗隨機器人的大型化、重量化而增加。因此要減量能耗，必須減輕機器人自身重量。爲支撐自重，傳統機器人部件一直使用金屬，但近年來，不僅是框架部，驅動部的齒輪也以塑膠代替，以期減輕重量。
因此，此次研究團隊着眼於超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）。其平均分子量非常高，通常爲1.0×106，較其它工程塑膠更具耐磨耗性和衝擊抗力。由於它僅由碳原子和氫原子構成，因此重量輕，具有出色的抗溶劑性。
研究團隊用三井化學提供的HI-ZEX MILLION（0.93g/cm2）和LUBMER（0.97g/cm2）製造了齒輪，其在UHMW-PE中具有高耐磨耗性和滑動特性（易於滑動的特性），較金屬齒輪（8.8g/cm2）輕約89%。爲符合相應條件，製造齒輪時所有UHMW-PE均採用路塹加工的方式，與蝸桿齒輪效率相關的齒數、驅動扭矩等參數都確保與金屬齒輪等價。
研究團隊將上述UHMW-PE齒輪安裝到機器人指部，測量其關節活動時的能耗，並與金屬齒輪進行了比較。
結果顯示，LUBMER齒輪的能耗較金屬齒輪降低約3%，HI-ZEX MILLION齒輪的能耗則與金屬齒輪無較大差異。
LUBMER作爲一種特定材料，具有自潤滑性，而HI-ZEX MILLION則不具備該特性。LUBMER的滑動特性有利於減小摩擦，從而使能耗降低。該特性還有望推動機器人的間接無油化。
由於大多數機器人都使用齒輪，因此僅改變材料就能降低能耗。透過減輕其它部件的重量，有望實施機器人的高速運轉和動態活動。
大谷次席研究員表示：「此次我們透過使用與金屬齒輪完全相同的設計，製造出了UHMW-PE齒輪，今後我們還將研究並評估適合維持強度的設計。此外，LUBMER的滑動特性有利於減小機器人的驅動聲，考慮到機器人的日常使用，這一特性是非常重要的，我們計劃繼續操作對其進行評估。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：IEEE access
論文：Energy Efficiency Improvement of a Robotic Finger with Ultra High Molecular Weight Polyethylene Gear
DOI： 10.1109/ACCESS.2022.3207752
