ヤモリのクラッシュランディング能力はロボティクスで利用できる

カリフォルニア大学バークレー校とドイツのシュトゥットガルトにあるマックス・プランク・インテリジェント・システム研究所の研究者は、ヤモリが尾を使って空中で操縦する方法を実証しました。この能力により、ヤモリは落下後にグリップを失ったときに自分を修正でき、また水面上を移動するのにも役立ちます。

これらの発見は、今週、ネイチャージャーナルコミュニケーションズ・バイオロジーに掲載される予定です。

これらの技術はロボティクスで非常に有用であり、すでにヤモリのようなロボットに実装されています。

ヤモリに関する驚くべき発見

ロバート・フルはカリフォルニア大学バークレー校の統合生物学教授であり、アドリア・ユスフィはマックス・プランク研究学校の教員であり、元カリフォルニア大学バークレー校の博士課程学生です。2人は、ヤモリが尾を使って木に頭から衝突したときに回復するのを助けるために使用するという重要で驚くべき新しい発見をしました。

頭から衝突することはヤモリによく見られることであり、ユスフィは高速度ビデオカメラでこれを記録しました。

「雨林の樹冠からヤモリを観察することは目からうろこが落ちるほど驚きでした。飛び立つ前に、ヤモリは頭を上下に動かして、左右に動かして着地の標的を飛び立つ前に見て距離を推定するかのようにしました」とユスフィは述べました。

ビデオは、ヤモリ（この場合はアジアの平たい尾を持つ家ヤモリ）が、衝突時に木の幹に爪とパッドのついた足でつかまり、頭と肩を反動させ、尾を幹に押し付けて後ろに転倒しないようにすることを示しています。

「これらの爬虫類の中には、衝突時にまだ加速しているものもいます。彼らは頭から衝突し、頭上に倒立する極端な角度で木から離れて——本立てのように見えます——ただし、後ろ足と尾で固定されて、落下エネルギーを散発します。落下を阻止する反射が非常に速いため、遅い動きのビデオでしか根本的なメカニズムは明らかになりません」とユスフィは述べました。

研究者によると、他の小型で軽量の跳躍する動物、例えばトカゲも、これらの技術を使用している可能性があります。

「彼らはより長いグライドを持っていて、より平衡したグライドで着地しますが、例えば逃げるためにこのような行動を選択する場合、サイズは重要です。小さすぎると、他の解決策がないからです。したがって、これは体が媒介する解決策の一種であり、大きなものでは持てないのです」とフルは述べました。

ヤモリの尾に似た構造は、垂直面に着陸する飛行ロボット、例えばドローンの安定化に役立ちます。

研究者たちは、これまでにこの行動を文書化し、数学的にモデル化し、ソフトロボットで再現しました。

「適応は、元々どのように進化したかに関係なく、多くの行動に転用される構造です。ここでは予想外のものを見ており、どのようにしてそのような驚くべき能力が生まれるのかを見ています」とフルは述べました。

「最近まで、尾は足や翼ほど注目されていませんでしたが、人々はこれらの動物を5本足のもの、ある種の五足歩行と見なすべきだと気付くようになってきました」とユスフィは述べました。

フルによると、ロボット技術者はロボットにますます多くの機能を追加しており、各機能ごとに新しい部品を導入できることを学んできました。

「私たちがロボットや物理システムを進化させるとき、エンジニアはより多くのことを行いたいと思います。つまり、ある時点で、ロボットをすべてのものに最適化することはできません。別の行動に使用するために、他のものを使用する必要があります」とフルは述べました。

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

ロボットの構築

研究者たちは、ソフト構造用に特別に設計された最先端の3Dプリンター、Carbon M2を使用してロボットの部品を作成しました。足にはベロを付けて接触時に付着するようにし、尾には前足が表面に接触して滑ると下に押すメカニズムを備え付けました。

尾の付いたロボットは、硬い着陸でも同様の成功を収めました。自然界では、尾のあるヤモリは87%の確率で垂直面に着陸して転倒しません。一方、尾のないロボットは15%の確率で着陸に成功しますが、新しい尾の付いたロボットは55%の確率で着陸に成功しました。

研究者たちは、頭と胴の長さの半分の長さの尾を持つロボットは、より長い尾を持つロボットとほぼ同等の成功率であったことも発見しました。また、短い尾を持つロボットは木に付着するために2倍の足の力が必要であることも発見しました。

チームはヤモリをさらに研究し、ロボット、特に垂直面のソフトロボットに適用できる新しい原理を探します。

「進化は最適性や完全性についてではなく、十分性についてです。十分な解決策は、実際にあらゆる機能を持つことになります。つまり、挑戦的な環境では、より頑健性が高くなるのです。進化は、実際には何が生まれるか分からない、物を作る人です。利用可能なすべてのものを使って、機能するものを作るのです」とフルは述べました。

「小型の樹上動物は、明らかな飛行適応がないにもかかわらず、空中での機械的解決策を示す能力が増えています。ソフトロボットの物理モデルは、これらの着陸の制御を解明するのに役立ちます」とユスフィは述べました。