マンタから着想を得た水中ソフトロボット、史上最速を更新。1秒間に6.8倍の体長速度、水中全体を移動可能に
ノースカロライナ州立大学らの研究チームは、マンタからヒントを得て水中ロボットの動きを制御する能力を改良し、最速で泳ぐソフトロボットの自らの記録を破った
ノースカロライナ州立大学機械航空工学准教授で論文の責任著者であるJie Yin氏は次のようにコメントしている。
Yin氏：2年前、1秒間に自分の体長の3.74倍の速度で泳ぐ水中ソフトロボットを発表しました。今回はその設計を改良しました。新しいソフトロボットはエネルギー効率が向上し、1秒間に6.8倍の体長速度に達しました。また、以前のモデルは水面でしか泳げなかったが、今回は水中全体を上下に移動できるようになりました。
このソフトロボットは、マンタのような形状のヒレを持ち、ヒレを大きく広げた際に安定する素材で作られている。ヒレは柔軟なシリコン製の胴体に取り付けられ、空気を充填できるチャンバーを備えている。この空気チャンバーを膨らませるとヒレが曲がり、マンタがヒレを打ち下ろす動作に似た動きが生じる。空気を抜くと、ヒレは自然に元の位置に戻る。このロボットの映像はこちらで確認できる。
NC Stateの博士課程学生で論文の筆頭著者であるHaitao Qing氏は、次のようにコメントしている。
Qing氏：空気をチャンバーに送り込むことでエネルギーをシステムに供給します。ヒレは元の安定した状態に戻りたがるので、空気を抜くことでヒレの中のエネルギーも解放されます。この仕組みにより、ロボットには1つのアクチュエータしか必要なくなり、迅速な動作が可能になります。
マンタの流体力学の研究も、このソフトロボットの垂直方向の動作制御に重要な役割を果たした。
バージニア大学の博士課程学生で論文の共著者であるJiacheng Guo氏は、次のようにコメントしている。
Guo氏：マンタの泳ぎを観察し、その動きを模倣することで、ロボットが水面に向かう、下に潜る、あるいは水中の同じ深さに留まる動作を制御する方法を考案しました。マンタが泳ぐとき、前進するための2つの水流を生み出す。その泳ぎ方を変えることで進む方向を調整します。この技術を使い、泳ぐロボットの垂直方向の動きを制御した。現在、横方向の動きを微調整する技術を開発中です。
また、カリフォルニア大学リバーサイド校の機械工学助教授で論文の共著者であるYuanhang Zhu氏は、次のようにコメントしている。
Zhu氏：具体的には、シミュレーションと実験から、ロボットが生成する下向きの水流が上向きの水流よりも強力であることがわかりました。ロボットがヒレを速く打つと上昇し、アクチュエーション頻度を下げるとヒレを打つ間隔でわずかに沈みます。この特性を利用してロボットを潜水させたり、一定の深さで泳がせたりできます。
Qing氏：もう一つの重要な要因は、ロボットが圧縮空気で駆動されていることです。ヒレが休んでいるとき、チャンバー内は空で浮力が減少します。ヒレをゆっくり動かしているとき、空気チャンバーは頻繁に空の状態になります。つまり、ヒレを速く動かせばチャンバーが空になる時間が短くなり、ロボットの浮力が増加するのです。
研究者たちは、このソフトロボットの性能を2つの方法で実証した。1つ目は、水槽の表面と底に設置した障害物をナビゲートするロボットの試験だ。2つ目は、自立型ロボットが水面で自身の空気供給や電源を含む荷物を運ぶ実験だ。
Yin氏：これは高度に設計されたデザインだが、基本概念は非常にシンプルです。1つのアクチュエーション入力だけで複雑な垂直方向の環境をナビゲートできます。現在、横方向の動きを改善し、他のアクチュエーションモードを探求しています。この設計のエレガントなシンプルさを保ちながら、システムの性能を大幅に向上させることが目標です。
研究の概要はこちら。
ノースカロライナ州立大学
