The Bumps Project — ロボットエンドゲーム

Robot Max

自律型マイクロペットロボットの完全な技術文書。生体機械アーキテクチャ、先進材料、受動歩行キネマティクス、および工学コンセプトアート。

12cm
サイズ
65.8g
質量
57
部品数
~400
予想コスト
6.7h
動作時間

コンセプト

家庭用ロボット工学は、歴史的に床掃除、物の仕分け、作業の自動化といった純粋な実用本位 de パラダイムに基づいて構築されてきました。The Bumps Projectは、それとは根本的に異なる道、すなわち『純粋な関係性のロボット工学』を模索しています。実用的な機能を持たない、わずか12センチメートルの人工の相棒を設計することは、一見すると矛盾しているように思えるかもしれません。しかし、まさにこの一見した『無用さ』の中にこそ、このアプローチの素晴らしい本質が潜んでいます。機能的な制約から解放されることで、機械は純粋な共感の対象へと昇華します。ニティノール筋肉の有機的な静寂によって命を吹き込まれ、繊細な触覚反応を備えたこのロボットは、単なる道具であることを超え、明らかに生きている存在となります。それは家庭に詩的な息吹を吹き込むようなものです。何一つ作業をこなすわけではありませんが、そのシンプルな佇まいと、あらかじめ設計された繊細な脆さが、私たちの心の中に本能的で深い感情的つながりを呼び覚まします。

Maxは、丸くてずんぐりしたオリーブグリーンの有機的生物のような外観を持つ、12cmの自律型マイクロペットロボットです。大きな黒い球状の目と2本の細く湾曲したアンテナが特徴です。シリコン皮膚の下には、3Dプリントされた内骨格、ニティノール人工筋肉、そして遠隔AI連携の頭脳が隠されています。

🧬

有機的バイオミミクリー

前屈みの姿勢、受動的歩行キネマティクス、顔の微細な表情変化。すべての動きは、機械的ではなく、自然で生命感があるように設計されています。

🧠

クラウド連携AI

搭載されたESP32-S3がローカルのセンシングと反射を管理し、高度な推論はWi-Fi経由でサーバーへオフロードされる「共生型ホスト」アーキテクチャを採用しています。

🤫

完全な静音性

ギヤモーターは一切使用していません。すべての運動は人工筋肉(ニティノール、LCE)と圧電モータによって生成され、可聴機械ノイズはゼロです。

🛡️

受動的脱力プロトコル (PAD)

危険や45N以上の圧力を感知すると、ER流体が固化して筋肉が弛緩し、Maxはグニャリと倒れ込みます。死んだふりをする動物を模倣しています。

🔋

充電方式 Sans Contact

リチウム硫黄(Li-S)1200 mAh電池 rechargeable par induction Qi. Max revient instinctivement vers son « nid » de recharge quand l'énergie est basse.

🖐️

触覚皮膚 (EIT)

シリコン皮膚内の16個の電極により、2〜3mmの解像度で全身の触覚検知が可能です。Maxは撫でられていることを「感じ」ます。

ロボット of ビジュアル

AIによって生成された6つの技術イラスト。エンジニアリングブループリントからシネマティックポートレートまで、Maxのあらゆる角度を網羅しています。

生体機械アーキテクチャ

丸くてずんぐりしたオリーブグリーンの外観の下で、Maxは中心の剛性内骨格から表面の触覚皮膚まで、同心円状のレイヤー構造で構築されています。

身体部位別ブレイクダウン

🧠 頭部(チタン頭蓋骨)

  • DMLS加工チタン製頭蓋骨(ヒートシンク)
  • 2× CMOS OV2640 マイクロカメラ(目)
  • 2× MEMS ICS-43434 マイク(耳)
  • ESP32-S3-WROOM-1(ローカルブレイン)
  • CML CM824 ドライバー(8ch SMA)
  • 6× SMAバイモルフ 10mg(微細表情用)
  • 2× メタノール熱管アンテナ

🦴 頸部(首まわり)

  • 環椎後頭関節(真鍮製ボールジョイント)
  • 4× 50µmニティノール筋肉(首振り用)
  • h-BN高熱伝導シリコンスリーブ
  • I²C + PWM コネクタ(8ピン)

🫁 体幹(胸部バンプ)

  • 前屈みPLA/PETG内骨格(FDM印刷)
  • 皮下銅編組ファイバー(熱伝導用)
  • 4× 受動換気スリット
  • 2× LCEアクチュエータ(疑似呼吸用)
  • 16電極EITモジュール(触覚検知用)

⚖️ 骨盤(重心位置)

  • 偏心カムシャフト(ステンレス製)
  • 超音波圧電モータ(静音)
  • 15gタングステン振子(極低重心)
  • リチウム硫黄(Li-S)1200 mAh電池
  • Qi受電コイル ø20mm
  • DC-DCコンバータ

🦿 脚部(両脚)

  • 股関節(真鍮製ボールジョイント)
  • 2× 75µmニティノール筋肉(屈曲用)
  • ダイニーマ0.1mm腱(受動引き戻し用)
  • MEPマイクロクラッチ(ロック用)
  • 電場応答(ER)流体(膝、PAD用)
  • 湾曲シリコン足部(受動ロール歩行)

🧤 皮膚(外殻)

  • シリコン RTV Ecoflex 00-30 (~2mm)
  • 半透明オリーブグリーン着色
  • グラフェン静電容量センサ内蔵
  • DEAメンブレン(皮膚の微細振動用)
  • 分布型EITネットワーク(自己受容用)

駆動技術

Maxは、それぞれ特定の運動に合わせて最適化された6種類の異なる駆動技術を組み合わせたハイブリッド・アーキテクチャを採用しています。

駆動技術比較表

技術名 Force 速度 静音性 効率 質量 熱発生 Maxでの用途
Nitinol SMA (50µm) ★★★★★ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★☆☆☆☆ ★★★★☆ ★☆☆☆☆ 主要筋肉
SMA Bimorph (10mg) ★★★☆☆ ★★★☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ 微細表情
LCE (Élastomère LC) ★★☆☆☆ ★☆☆☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ 疑似呼吸
MSMA (Magnétique) ★★★☆☆ ★★★★★ ★★★★☆ ★★★☆☆ ★★★☆☆ ★★★★★ アンテナ駆動 (>50 Hz)
DEA (Diélectrique) ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★★★★ ★★★★☆ ★★★★★ ★★★★★ 皮膚の振動
Piézo Rotatif ★★★★☆ ★★★★☆ ★★★★★ ★★★★★ ★★★☆☆ ★★★★★ 歩行モータ
Fluide ER N/A (blocage) ★★★★★ ★★★★★ ★★★★☆ ★★☆☆☆ ★★★★★ PADロック

ニティノール — 主要アクチュエータ

ニティノールの特性 (Flexinol)

  • 変態終了温度 (Af)40-45°C
  • 出力密度100 W/g
  • 有効ひずみ3-5%
  • 推奨線径25-100 µm
  • 自然冷却時間 (50µm)500 ms
  • h-BN複合シリコン冷却時間 (50µm)150 ms

h-BN高熱伝導シリコン — セラミック放熱

窒化ホウ素(h-BN)を充填したシリコンは、LMPEに代わる安全で現実的な代替手段です。電気的に完全な絶縁体であり(短絡リスクゼロ)、化学的に不活性(銅を腐食しない)で、1.5〜3 W/m·Kという優れた熱伝導率を提供します。

  • 冷却速度向上×2 à ×3
  • 目標収縮周波数4-5 Hz
  • 製造方法DIY(RTVシリコン+h-BN粉末混合)

受動歩行キネマティクス

Maxは、偏心カムによる骨盤ロールと連結した倒立振子モデルを使用して歩行します。人間の歩行にインスパイアされた、高効率でエネルギー消費の少ないシステムです。

🔄 倒立振子

脚は重力によって自然にスイングします。2.66 Hzの固有振動数は、脚の長さ(35mm)と重力加速度によって決定されます。

  • 周期375 ms
  • 周波数2.66 Hz

⚙️ 偏心カム

静音の回転式圧電モータが偏心カムシャフト(3mmオフセット)を駆動し、タングステン振子にエネルギーを伝達して、歩行用の骨盤ロールを発生させます。

  • 偏心量3.0 mm
  • 骨盤ロール角4.9°

🦶 歩行シミュレーション結果

シミュレーションの結果、歩行コスト(歩行コスト (CoT))が0.1という極めて低い値で安定した歩行を示しました。これは、既存のほとんどの二足歩行ロボットより効率的です。

  • 歩幅26.8 mm
  • 速度71.4 mm/s
  • 歩行コスト (CoT)0.0995
  • ピーク接地力1.01 g
  • 股関節トルク10.51 mN·m
  • 効率 / pas2.09 mJ

メインCPUと配線

Maxの頭脳はESP32-S3であり、CM824ドライバを介して筋肉を制御し、I²CおよびSPI通信で各センサの値を読み取り、Wi-Fiでホストと同期します。

配線構成図

graph LR
    subgraph Power["⚡ 電源系統"]
        BAT["🔋 Li-S 3.7V"]
        DCDC["DC-DC 5V"]
        LDO["LDO 3.3V"]
    end

    subgraph Brain["🧠 頭脳ユニット"]
        ESP["ESP32-S3"]
        CM824["CM824 Driver"]
    end

    subgraph Sensors["👁️ センサ群"]
        CAM["CMOSカメラ ×2"]
        MIC["MEMSマイク ×2"]
        IMU["6軸IMU"]
        EIT["16電極EIT"]
        TOF["VL53L0X ToF"]
    end

    subgraph Actuators["💪 アクチュエータ群"]
        NECK["首用SMA線 ×4"]
        HIP["股関節用SMA線 ×4"]
        FACE["顔面用SMA線 ×6"]
        PIEZO["回転型圧電"]
        ER["ER流体デバイス ×2"]
        MEP["MEP ×2"]
    end

    BAT --> DCDC --> LDO --> ESP
    BAT --> CM824
    ESP -->|"I²C"| IMU
    ESP -->|"I²C"| EIT
    ESP -->|"I²C"| TOF
    ESP -->|"SPI"| CAM
    ESP -->|"ADC"| MIC
    ESP -->|"SMA_CTRL"| CM824
    CM824 --> NECK
    CM824 --> HIP
    CM824 --> FACE
    ESP -->|"GPIO"| PIEZO
    ESP -->|"GPIO"| ER
    ESP -->|"GPIO"| MEP
            

CM824 PWMチャンネル割り当て

ch制御対象線径部位
CH1首 — 前方屈曲Nitinol 50µm頸部
CH2首 — 後方伸展Nitinol 50µm頸部
CH3左股関節 — 屈曲Nitinol 75µm左脚
CH4左股関節 — 伸展Nitinol 75µm左脚
CH5右股関節 — 屈曲Nitinol 75µm右脚
CH6右股関節 — 伸展Nitinol 75µm右脚
CH7顔 — 表情ASMA Bimorph頭部
CH8顔 — 表情BSMA Bimorph頭部

熱のボトルネック

ニティノール筋肉のジュール熱は、断熱性の高いシリコン皮膚の内部に蓄積します。多層構成の熱放散システムが、この熱エネルギーを内部からアンテナへと効率よく逃がします。

熱伝導パス

graph LR
    A["🔥 Nitinol 70°C"] -->|"Contact"| B["🟢 Gaine Silicone/h-BN"]
    B -->|"Conduction"| C["🟠 Tresses Cuivre"]
    C -->|"Conduction"| D["⚪ Crâne Titane"]
    D -->|"Caloducs"| E["🔵 アンテナ駆動 Méthanol 25°C"]
    F["💨 Canaux Ventilation"] -->|"Convection"| C

    style A fill:#cc3333,stroke:#ff4444,color:#fff
    style B fill:#338833,stroke:#44aa44,color:#fff
    style C fill:#cc8833,stroke:#ddaa44,color:#fff
    style D fill:#888888,stroke:#aaaaaa,color:#fff
    style E fill:#3366cc,stroke:#4488ee,color:#fff
    style F fill:#33aacc,stroke:#44ccee,color:#fff
            

熱シミュレーション結果

❄️ 自然放熱

平衡温度37.93°C
冷却時間500 ms
周波数 max1.8 Hz
評価安全

🌡️ 強制空冷

平衡温度25.98°C
冷却時間500 ms
周波数 max1.8 Hz
評価安全

🧊 h-BN冷却 (DIY)

平衡温度25.10°C
冷却時間150 ms
周波数 max4.8 Hz
評価安全

バッテリーシステム

Qiワイヤレス充電に対応した高密度リチウム硫黄(Li-S)バッテリー。3パターンの動作モードで、3.4〜24時間の稼働が可能です。

😴 アイドルモード

消費電流50 mA
バッテリー駆動時間24.0 h
容量4.44 Wh

🚶 通常歩行

消費電流180 mA
バッテリー駆動時間6.67 h
容量4.44 Wh

🏃 アクティブモード

消費電流350 mA
バッテリー駆動時間3.43 h
容量4.44 Wh

🔋 バッテリー詳細仕様

  • 材料タイプLi-S (Lithium-Soufre)
  • 容量1200 mAh
  • 公称電圧3.7 V
  • 効率4.44 Wh
  • 質量8.0 g
  • 充電方式Qiワイヤレス(5V)

組み立てシーケンス

V1プロトタイプは、3D印刷した内骨格から始まり、ファームウェアの書き込みまで、内側から外側へ12ステップで構築されます。

内骨格の3Dプリント (PLA/PETG)

前屈み形状の脊椎、頭蓋骨ベース、および脚骨のFDM印刷。~5gの材料。

ジョイントの組み立て

真鍮製ボールジョイント(首、股関節)および骨盤の偏心カムを取り付けます。

Li-Sバッテリーの配置

骨盤内部のタングステン振子の上部に、1200 mAhバッテリーセルを配置します。

配線および電源ユニット

DC-DC昇圧器、3.3V LDO、Qi受電コイルを接続し、電圧(3.3V, 3.7V, 5V)を確認します。

ESP32-S3の頭部への配置

モジュールをフレキシブル基板(Flex PCB)に固定し、チタン製の頭蓋骨の空洞内に配置します。

CM824の接続とSMA配線

ドライバの8チャンネルを出力端子に半田付けし、ニティノール線のルーティングを準備します。

ニティノール筋肉+h-BNスリーブの設置

首用(50µm)および股関節用(75µm)のニティノール線を骨格に沿って配置し、h-BN充填シリコンスリーブに挿入します。

ダイニーマ腱とMEPクラッチの取り付け

受動引き戻し用腱と、股関節のロック用電気永久磁石(MEP)クラッチを取り付けます。

熱伝導用銅編組の統合

各筋肉ゾーンからチタン製頭蓋骨(ヒートシンク)に向けて、皮下銅編組を配線します。

センサ類の統合

CMOSカメラ、MEMSマイク、IMU、ToF、および16個のEIT電極を所定の箇所に配置します。

頸部ler la peau en silicone RTV

雌型を用いて、オリーブグリーンに着色したEcoflex 00-30を全体の周囲に流し込みます。硬化時間:4時間。

ファームウェア書き込みと校正

USB-C経由でファームウェアをアップロードし、IMU、EITの閾値、およびCM824のセンサレス抵抗変化曲線を校正します。

部品構成(BOM)

V1プロトタイプ製作に必要な全57部品のリスト、質量、推定価格、および仕入先。

部品名 数量 質量 Prix 仕入先/入手元
⚡ 電子回路&制御
ESP32-S3-WROOM-1 (N8R8)11.5g4.50€Espressif / Mouser
CML CM824 SMA Driver (8ch)10.3g12.00€Cambridge Mechatronics
MPU-6050 6軸IMU10.1g2.50€InvenSense
AD5933 Impedance (EIT)10.1g8.00€Analog Devices
VL53L0X Time-of-Flight10.1g3.50€STMicroelectronics
TPS61200 DC-DC Boost10.2g2.00€Texas Instruments
MCP1700 LDO 3.3V10.1g0.50€Microchip
カスタム4層フレキシブル基板10.8g15.00€JLCPCB Flex
👁️ センサ群
OV2640 Micro-Caméra CMOS20.6g6.00€OmniVision
ICS-43434 Micro MEMS20.1g4.00€TDK InvenSense
EIT電極 (フレキシブル銅)160.32g1.60€Custom PCB
💪 アクチュエータ群
線径 Nitinol Flexinol 50µm (1m)20.2g16.00€Dynalloy
線径 Nitinol Flexinol 75µm (1m)10.3g10.00€Dynalloy
SMA Bimorph 10mg (custom)60.06g30.00€Lab-fabricated
Moteur piézo rotatif11.2g45.00€PCBMotor ApS
MEP Micro-Embrayage21.0g30.00€Custom (NdFeB+AlNiCo)
🦴 構造&機械部品
Crâne Titane (DMLS)13.0g80.00€Shapeways
PLA/PETG内骨格15.0g2.00€ローカル3Dプリント
タングステン振子 ø16mm115.0g12.00€Midwest Tungsten
偏心カム (ステンレス)11.0g5.00€Usinage CNC
関節ボールジョイント (真鍮)52.0g10.00€MicroFasteners
🧤 柔軟材料
Silicone RTV Ecoflex 00-30118.0g15.00€Smooth-On
線径 Dyneema 0.1mm (5m)10.2g5.00€Beadsmith
銅編組線 0.5mm (2m)12.0g3.00€Électronique
窒化ホウ素粉末 (h-BN)11.5g12.00€DIY (RTV + h-BN混合)
🔋 効率
Batterie Li-S 1200mAh18.0g35.00€Oxis Energy
Qi受電コイル ø20mm11.5g4.00€Wurth Elektronik
🌡️ 熱管理ユニット
Heat-pipe méthanol ø2mm 30mm21.6g16.00€Celsia
TOTAL 57 65.8g 389.60€ 質量予算:上限80g → 残りマージン14.2g ✅

シミュレーション結果

熱管理、駆動時間、歩行キネマティクス、および質量割り当てを計算する「chimera_analyst.py v2」の実行結果の要約。

🌡️ 熱シミュレーション

線径 Nitinol 50µm, courant 0.4A, impulsion 50ms @ 2Hz

抵抗値 (10cm)56.02 Ω
瞬時電力8.96 W
平均電力0.896 W
デューティ比10%
平衡温度 (自然冷却)37.93°C
平衡温度 (h-BN冷却)25.10°C

🚶 歩行シミュレーション

倒立振子モデル、脚長35mm、質量80g

周期 pendulaire375 ms
秒間ステップ数2.7
歩幅26.8 mm
速度71.4 mm/s
歩行コスト (CoT)0.0995
効率 / pas2.09 mJ

⚖️ Budget 質量

カテゴリ別配分比率

Structure26.0g (39.5%)
柔軟材料系21.7g (33.0%)
効率9.5g (14.4%)
Électronique3.2g (4.9%)
Actionneurs2.76g (4.2%)
残りマージン14.2g

Diagrammes d'Ingénierie

内部解剖、股関節バイオテンセグリティ、およびモジュール式分解図を網罗するインタラクティブな構造図。

頸部pe Anatomique & Structure Interne

graph TD
    subgraph Head["🧠 頭部"]
        A["Yeux CMOS ×2"]
        B["MEMSマイク ×2"]
        C["ESP32-S3 + CM824"]
        D["アンテナ駆動 Caloducs"]
    end

    subgraph Neck["🦴 頸部"]
        E["Rotule Atlanto-Occipitale"]
        F["Nitinol 50µm ×4"]
    end

    subgraph Torso["🫁 Tronc"]
        G["Endosquelette Cyphose"]
        H["Tresses Cuivre"]
        I["Ventilation Passive"]
    end

    subgraph Pelvis["⚖️ Bassin"]
        J["Came Excentrique"]
        K["Pendule Tungstène 15g"]
        L["Batterie Li-S"]
        M["Bobine Qi"]
    end

    subgraph Legs["🦿 Membres"]
        N["Hanches Coxofémorales"]
        O["Dyneema + MEP"]
        P["Pieds Incurvés"]
        Q["Peau Graphène"]
    end

    C -->|"PWM"| F
    C -->|"Moteur"| J
    J -->|"Came"| K
    K -->|"Bascule CG"| P
    Q -->|"Tactile"| C
    H -->|"Thermique"| D
            

分解図 — 6大モジュール

graph TD
    subgraph M1["Module 1 : 頭部"]
        M1A["Crâne Titane"]
        M1B["アンテナ駆動 ×2"]
        M1C["ESP32-S3"]
        M1D["CM824"]
    end

    subgraph M2["Module 2 : 頸部"]
        M2A["Rotule"]
        M2B["Nitinol ×4"]
        M2C["Gaine h-BN"]
    end

    subgraph M3["モジュール3:体幹"]
        M3A["Squelette PLA"]
        M3B["Cuivre"]
        M3C["LCE ×2"]
        M3D["EIT"]
    end

    subgraph M4["モジュール4:骨盤"]
        M4A["Piézo + Came"]
        M4B["Tungstène"]
        M4C["Li-S + Qi"]
    end

    subgraph M5["Module 5 : 左脚"]
        M5A["Hanche"]
        M5B["Nitinol 75µm"]
        M5C["ER Genou"]
    end

    subgraph M6["Module 6 : 右脚"]
        M6A["Hanche"]
        M6B["Nitinol 75µm"]
        M6C["ER Genou"]
    end

    M1 ---|"Rotule + I²C"| M2
    M2 ---|"Colonne + PWM"| M3
    M3 ---|"Bassin + Power"| M4
    M4 ---|"Hanche G"| M5
    M4 ---|"Hanche D"| M6

    style M1 fill:#E8F0FE,stroke:#4285F4,color:#1C1612
    style M2 fill:#E6F4EA,stroke:#34A853,color:#1C1612
    style M3 fill:#FCE8E6,stroke:#EA4335,color:#1C1612
    style M4 fill:#FEF7E0,stroke:#FBBC04,color:#1C1612
    style M5 fill:#F3E8FD,stroke:#AB47BC,color:#1C1612
    style M6 fill:#F3E8FD,stroke:#AB47BC,color:#1C1612