アルコールで動く88mgのマイクロロボットは2時間連続稼働可能

マイクロロボットは極めて狭い空間でも移動できますが、これは人間や従来のロボットでは不可能なことです。しかし、そのサイズが小さく、パワーと制御が限られているため、現在の技術では社会問題を効果的に解決することはできません。

最近、南カリフォルニア大学の研究者らがアルコールで動くマイクロ昆虫ロボットを発明し、マイクロロボットのエネルギー源の問題を解決するための新たなアプローチを提供し、完全に自律的なマイクロロボットの開発という目標に向けて重要な一歩を踏み出しました。

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このマイクロロボットはRoBeetleと名付けられています。バッテリーや外部配線に依存する他のマイクロロボットとは異なり、そのエネルギー源はメタノールです。体長は15mm、重さはわずか88mg（米粒3個分）だが、自重の2.6倍の物を運ぶことができる。 95mgの燃料を搭載でき、最大2時間稼働できます。

関連研究「触媒人工筋肉で駆動する88ミリグラムの昆虫サイズの自律移動ロボット」は、8月19日にサイエンス・ロボティクス誌に掲載された。主著者は、南カリフォルニア大学航空宇宙工学部および機械工学科の助教授ネストル・O・ペレス・アランシビア氏と、博士課程の学生シウフェン・ヤン氏およびロンロン・チャン氏である。

「電池のエネルギー密度は非常に低いので、新しいエネルギー源が必要です。私たちが作ったロボットは、電源として電池に頼らないので、軽くて小さいのです」とネスター・O・ペレス・アランシビア氏はニューサイエンティスト誌に語った。

研究者らは論文の中で、ほとんどの昆虫はよく発達した筋肉を持っており、それが激しい運動を行うのに役立っていると述べている。同時に、彼らのずんぐりとした体は脂肪とグリコーゲンの形でエネルギーを蓄えるのに役立ちます。これにヒントを得て、研究者たちは本物の筋肉のように収縮したり弛緩したりできる、信頼性が高く強力なマイクロ人工筋肉を開発しました。

プラチナ（Pt）粉末をコーティングしたニッケルチタン合金線の電子顕微鏡画像

最も注目すべきは、人工筋肉のエネルギー源がメタノールであることです。これまで、マイクロロボットは、通常、バッテリーまたは外部ワイヤーによって駆動されていました。前者は、サイズの制限により、比エネルギーが非常に低い（1.8MJ/kg 未満）ことが多く、後者はロボットの独立性を制限します。通常の大気圧で液体として貯蔵されたメタノールは、小型電池の10倍以上のエネルギーを持っています。これは、メタノール駆動のマイクロロボットが小型のままでより自律的になる可能性があることを意味します。

この電力システムのニッケルチタン合金線は、メタノールの燃焼を触媒できるプラチナ（Pt）粉末で覆われています。燃焼により熱が発生し、ロボットの脚にあるワイヤーが短くなります。化学反応が止まると、ワイヤーは冷えて再び伸び、RoBeetle を動かします。

メタノール駆動下でのロボットの動作性能を検証するために、研究者らは2セットの実験を行った。

ロボットは傾斜5度と10度の斜面は楽に登ることができたが、傾斜が15度に上がると登れなくなった。

登攀実験では、研究者らは傾斜したガラスのスライドの上に滑らかなペーパータオルを置き、斜面の傾斜角度を調整して、RoBeetle の登攀能力をテストしました。ロボットは傾斜5°と10°の斜面を簡単に登ることができたが、傾斜角度が15°に増加すると登れなくなった。さらに、液体メタノールの粘性により、傾斜角度は貯蔵タンク内のメタノールの分布にほとんど影響を与えません。

さまざまな粗さの表面でのRoBeetleの這う能力

2番目の一連の実験では、研究者らはロビートルがさまざまな粗さの表面を這う能力をテストした。結果は、ロボットがペーパータオルや発泡スチロールの表面では這うことができたが、滑らかなガラスの表面では這うことができなかったことを示しました。同時に、研究者らはRoBeetleの貨物輸送能力をさらに調査し、RoBeetleが自重の2.6倍の物体を牽引できることを発見した。

研究者らは論文の中で、ロビートルの推進設計は、陸上、水上、空中を移動できる自律型マイクロロボットの開発のモデルとなり得ると述べている。

ペレス・アランシビア氏は、メタノール駆動の人工筋肉はこの分野における大きな進歩であり、初の完全自律型超小型飛行ロボットの開発を可能にするだろうと語った。彼らの次のステップは、ロボットが長時間動作し続けられるように、動作中にRoBeetleに燃料を補給する方法を研究することです。

さらに、研究者たちは、人間のオペレーターがRoBeetleと対話できるようにプログラムすることを計画している。成功すれば、RoBeetle は人工授粉者として機能したり、複雑な手術を行う医師の補助として機能したりする可能性があります。

しかし、同誌の同じ号に掲載された論評記事の中で、マサチューセッツ工科大学コンピューター科学・人工知能研究所の博士研究員ライアン・L・トゥルビー氏とハーバード大学工学応用科学大学院の博士研究員リー・シュグアン氏は、「RoBeetle はマイクロロボットにとって画期的な成果だが、まだ改良の余地がある」と考えている。

コメントでは、RoBeetle の移動速度はわずか 0.76 mm/s で、他のマイクロロボットに比べてかなり遅いことが指摘されています。同時に、ロボットは前進することしかできず、人間はその操縦や速度を制御することはできません。さらに、研究者らは従来の電子制御装置を放棄したため、ロボットの機能のアップグレードが困難になり、外部からの制御と相互作用が制限された。