ミミズ、バネ、そしてソフトロボット：小さな生き物が大きな飛躍を刺激する

ジョージア工科大学の研究者は最近 素晴らしい成果を発表した全長5インチ（約10cm）のソフトロボット。脚なしで、バスケットボールのゴールと同じ高さ、約XNUMXメートル（約XNUMXメートル）まで自力で飛び上がることができる。このデザインは、人間の髪の毛よりも細い小さな線虫である線虫から着想を得たものだ。線虫は体長の何倍もの高さまでジャンプすることができる。 

ワームは体をきつく締めることで弾性エネルギーを蓄え、それを突然解放することで、アクロバティックな体操選手のように空高く、あるいは後ろに飛び上がります。エンジニアたちはこの動きを模倣しました。彼らの「SoftJM」ロボットは、基本的には柔軟なシリコン製の棒で、硬いカーボンファイバー製のバックボーンを備えています。車輪も脚もありませんが、曲げ方次第で前方または後方に跳躍することができます。

線虫に着想を得たこのロボットは、実際に動作してみると、まるで人間がしゃがんでいるかのように体を丸め、爆発的に体を伸ばすとジャンプする。ハイスピードカメラは、この線虫が頭を上に反らせ、体の中央を曲げて後方に跳躍し、その後、体を伸ばして尾を曲げて前方に跳躍する様子を捉えている。 

ジョージア工科大学の研究チームは、ホースやケーブルでは通常問題となる、このようなきつい曲がりによって、ワームとロボットは実際にははるかに多くのエネルギーを蓄えることができることを発見しました。ある研究者が指摘したように、曲がったストローやホースは役に立たないのですが、曲がったワームはバネのように機能します。研究室では、このソフトロボットは 複製した この技は、胴体中央または尾を「つまむ」ことで緊張させ、その後一気に（約 10 分の 1 ミリ秒）解放して空中に舞い上がるというものです。

ソフトロボットの台頭

ソフトロボティクスは、自然界からヒントを得ることの多い、まだ歴史が浅いながらも急速に成長している分野です。硬い金属製の機械とは異なり、ソフトロボットは柔軟な素材で作られており、圧縮したり伸ばしたり、周囲の環境に適応したりすることができます。この分野における初期のマイルストーンとして、以下のようなものがあります。 ハーバード大学のオクトボット タコの筋肉にヒントを得た、シリコンと流体チャネルだけで作られた、硬質部品を一切含まない自律型ロボット。以来、エンジニアたちは、ミミズのようなクローラーやゼリー状のグリッパーから、ウェアラブルな「エクソスーツ」、転がる蔓のようなロボットまで、様々なソフトマシンを開発してきた。 

例えば、イェール大学の研究者たちは、カメに着想を得たソフトロボットを開発しました。このロボットは、泳いでいるときと歩いているときに応じて、柔らかいヒレとしっかりとした「陸脚」を切り替えます。カリフォルニア大学サンタバーバラ校（UCSB）の科学者たちは、光に反応する「皮膚」だけを使って光に向かって伸びる、つる状のロボットを開発しました。このロボットは文字通り、植物の茎のように狭い空間を伸びていきます。これらをはじめとする生物に着想を得たイノベーションは、柔らかい素材がいかにして新しい運動モードを生み出すかを示しています。

全体的に、支持者たちはソフトロボットは従来のロボットが行けない場所に行くことができると主張している。 米国国立科学財団の注記 適応型ソフトマシンは「従来のロボットでは到達できなかった空間を探索する」ことが可能であり、人間の体内さえも探索できる。一部のソフトロボットは、硬さや色を変化させて物体に溶け込んだり掴んだりできるプログラム可能な「スキン」を備えている。 エンジニアも調査中 折り紙/切り紙の技法、形状記憶ポリマー、その他のトリックを駆使して、これらのロボットは即座に再構成することができます。

柔軟な動きのエンジニアリング

柔らかいロボットを動物のように動かすのは、大きな課題を伴います。硬い関節やモーターがないため、設計者は材料特性と巧妙な形状に頼らなければなりません。例えば、ジョージア工科大学のジャンパーは、十分なバネ動作を実現するために、ゴム製のボディの中にカーボンファイバー製の背骨を組み込む必要がありました。センサーと制御システムの統合もまた、容易ではありません。 ペンシルベニア州立大学のエンジニアは指摘する従来の電子機器は硬く、柔らかいロボットをその場で動かなくなってしまいます。

小型の這う救助ロボットを「スマート」にするために、ロボットが曲がるように、フレキシブルな回路をボディ全体に慎重に配置する必要があった。エネルギー源を見つけることさえ困難だ。重いバッテリーを搭載すると重量が重くなってしまうため、外部磁場や加圧空気を利用するソフトロボットもある。

ジョージア工科大学の線虫にヒントを得たソフトロボット（写真：キャンドラー・ホッブス）

もう一つのハードルは、適切な物理法則を活用することです。線虫ロボットチームは、ねじれが実は役に立つことを発見しました。通常のゴムチューブでは、ねじれはすぐに流れを止めてしまいますが、柔らかい線虫の場合は、ねじれによって内部圧力がゆっくりと高まり、解放されるまでにはるかに大きな曲げが可能になります。シミュレーションや水を満たした風船モデルを用いた実験により、研究者たちは、柔軟な体が曲げられた際に大きな弾性エネルギーを保持し、それを一気に飛び跳ねることで解放できることを示しました。その結果は驚くべきものでした。ロボットは静止状態から、背骨を曲げるだけで10フィートの高さまで繰り返しジャンプできるのです。こうした画期的な進歩、つまり、 店舗 および リリース ゴム状材料のエネルギーは、ソフトロボット工学の典型です。

現実世界のホッパーとヘルパー

こうしたソフトロボットは一体何の役に立つのでしょうか？原理的には、硬い機械では到底対応できないような危険で扱いにくい状況にも対応できます。例えば災害現場では、瓦礫の下や倒壊した建物の中に潜り込み、生存者を探すことができます。ペンシルベニア州立大学は、磁気制御式のソフトクローラーの試作機を公開しました。このクローラーは、狭い瓦礫の中を移動したり、血管ほどの大きさの通路を通ったりすることさえ可能です。

医療分野では、微小なソフトロボットが体内に直接薬剤を送達する可能性がある。MITのある研究では、糸のように細いソフトロボットが動脈内を浮遊し、血栓を除去することが想定されており、開腹手術なしで脳卒中を治療できる可能性がある。ハーバード大学の科学者たちも、ソフトなウェアラブル外骨格の開発に取り組んでいる。軽量で膨張可能なスリーブは、筋萎縮性側索硬化症（ALS）患者の肩を上げるのに役立ち、可動域を即座に改善した。

宇宙機関はソフトジャンパーにも注目している。車輪は砂や岩に引っかかる可能性があるが、ホッピングロボットはクレーターや砂丘を飛び越えることができる。NASAは月や氷の衛星に向けた斬新なジャンパーも構想している。ある構想では、サッカーボールほどの大きさのロボットが スパロウ 沸騰した氷から蒸気を噴射し、エウロパやエンケラドゥスを何マイルも飛び越える。これらの衛星の低重力下では、小さなジャンプでも大きな効果を発揮する。科学者によると、地球上でロボットが1メートルジャンプすれば、エンケラドゥスでは100メートルも飛べるという。構想は、数十体のこうしたホッパーが、車輪付きローバーでは行き詰まるような異星の地形を「完全に自由に移動」しながら移動できるようにすることだ。地球上では、将来のソフトジャンパーが、従来のロボットでは足止めになってしまう川や泥、不安定な地面を飛び越え、捜索救助任務に役立つ可能性がある。

ソフトロボットは産業や農業でも活躍の場を見出しています。NSFは、人間が邪魔をしても従うため、工場や農場で安全なヘルパーとなる可能性があると指摘しています。研究者たちは、繊細な果物を傷つけずに優しく摘むソフトグリッパーも開発しました。ソフトマシンの柔軟性は、硬い装置では狭すぎる場所や柔軟性に欠ける場所でも動作できることを意味します。

専門家たちは、ソフトロボティクスが多くの分野を根本的に変えると信じています。ミミズからウェアラブルスーツ、そして月面ホッパーまで、この研究スレッドは、小さな生物の研究がいかに技術を大きく飛躍させるかを示しています。