体型の変化は千差万別！ MIT が宇宙探査用人工物を開発 - モジュール式の自己再構成可能なマイクロロボット

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多数のロボットを宇宙に送りたい場合、さまざまな形や大きさのフルサイズロボットか、小型のモジュール式ロボットの 2 つの選択肢があります。明らかに、後者の方が好ましいです。たとえば、映画「ベイマックス」で悪役が使用する小さな磁気ロボットは、一種のモジュール式ロボットであり、自己組み立ておよび再構成の能力は特に有望です。

キャプション: 映画「ベイマックス」に登場するマイクロモジュール式ロボット (出典: cg99.CN)

30 年以上にわたり、ロボット工学者たちはモジュール式の自己再構成可能なロボットの構想を追求してきました。このタイプのロボットは、適応性、拡張性、堅牢性において大きな利点があり、その応用分野には宇宙探査、再構成可能な環境、捜索救助、変形可能なユーザー インターフェイスなどがあります。しかし、モジュラーロボットをこれらの重要な分野に拡大するために迅速かつ信頼性の高い展開を達成するという野心的な目標があるにもかかわらず、これまでに構築されたモジュラーロボットは、依然としてスケーラビリティの低さという大きな課題に直面しています。

かさばり、複雑で高価な機械部品が多数あるため、必然的に扱いにくくなり、小型化と拡張性が妨げられます。特に宇宙探査では、軌道上に物体を構築することは困難であり、入力と出力が比例しない可能性があります。さらに、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士の生活環境は非常に狭苦しく、宇宙ステーション内の家具をテトリスのピースのように最適な向きでコンパクトに配置する必要があります。そのため、小型化技術は非常に重要です。小型化により、宇宙飛行士により多くの操縦スペースを提供し、ロケットのペイロードのコストを削減できます。したがって、数とサイズの両面でよりスケーラブルなアーキテクチャが緊急に必要です。

最近、MIT のコンピューター科学および人工知能研究所 (CSAIL) の研究では、再構成可能なロボットのコストとサイズの問題を解決するために電磁気学が使用されました。

研究チームは、映画『ベイマックス』からインスピレーションを得て、順列と組み合わせによって複雑な形に組み立てられる立方体型ロボットを開発した。大きくて高価なアクチュエータを 1 つのモジュールに詰め込むのではなく、小さくて簡単に作れて安価な電磁石をキューブの端に埋め込みました。これらの電磁石間の相互反発と引力により、ロボットは互いに回転したり移動したり、急速に形状を変えたりすることができます。

「エレクトロボクセル」と名付けられたこの立方体ロボットは、一辺が約60ミリメートルで、磁石は銅線で巻かれたフェライトコア（小さな黒いチューブのように見える）で構成されています。各キューブの内部には、電磁石に正しい方向に電気を送る小さなプリント基板と電子機器が入っています。キューブ 1 個を作るのにかかる時間は 1 時間強で、総コストはわずか 60 セントです。

2 つの要素間の機械的な接続を必要とする従来のヒンジとは異なり、ElectroVoxels は完全にワイヤレスで、特殊な物理的メカニズムを必要とせず、任意の電磁石のペア間で動的に形成できるため、大規模システムのメンテナンスと製造がはるかに簡単になります。

エレクトロボクセル 電磁石を使用して再構成でき、移動にモーターや推進剤を必要とせず、微小重力でも動作できるロボットキューブです。

では、これらのモジュールはどのように相互作用するのでしょうか?より良い視覚化のために、科学者たちはソフトウェア プランナーを使用して再構築プロセスを視覚化し、基礎となる電磁気分布を計算しました。ユーザーは、数回クリックするだけで最大 1,000 個のキューブを操作したり、定義済みのスクリプトを使用して複数の連続回転をエンコードしたりできます。このようなシステムでは、ユーザーは適切な範囲内でモジュールを操作できます。たとえば、速度を変更したり、磁石を強調表示したり、衝突を回避するために必要な動きを表示したりできます。また、モジュールをマジシャンのように変形させて、ある瞬間には椅子として現れ、次の瞬間にはソファとして現れるようにすることもできます。

キャプション: 立方体は椅子からテーブルとソファに再構築されています

これらの小型で安価なモジュールは、微小重力環境に特に適しています。このような環境では、軌道に打ち上げたい構造物はすべて打ち上げロケット内に搭載する必要があるためです。空気浮上プラットフォームでの予備テストの後、研究者らは微小重力飛行テストを実施し、推進剤を使わない再構築や宇宙船の慣性特性の変更などのより優れた宇宙探査ツールの助けを借りて、ElextroVoxels は無重力の真の状態を発見しました。

燃料不要の推進の利点は、再建のために追加の燃料を打ち上げる必要がなくなり、打ち上げ質量と体積に関する多くの課題が解決されることです。これを踏まえると、この再構成可能なアプローチは、複数回の打ち上げ中に宇宙構造物を強化および交換したり、一時的な構造物を使用して宇宙船の検査や宇宙飛行士の作業を支援したり、将来のキューブを自己分類ストレージ コンテナーとして使用したりするなど、さまざまな将来の宇宙探査タスクに役立つことが期待できます。

ESAの先進コンセプトチーム（ACT）の責任者であるダリオ・イッツォ氏は次のように述べています。

「ElectroVoxels は、完全に再構成可能なシステムを設計する方法を示し、科学界が取り組むべき課題を提示しています。それは、軌道上で完全に機能するモジュール式ロボット システムを構築する方法です。この研究は、電磁駆動回転キューブの構築、操作、保守の容易さを実証し、将来の探査ミッションのスマート コンポーネントの設計に刺激を与える、柔軟でモジュール式の再構成可能なシステムを実現します。」

テトリスのピースと同様に、キューブを動かすには順序に従う必要があります。偏光シーケンスは、発射、移動、キャプチャの 3 つのステップで構成され、各ステップには、移動立方体 (移動用)、開始点 (移動キューブが発射される場所)、および目的地 (移動キューブがキャプチャされる場所) があります。ソフトウェアのユーザーは、どの立方体をどの方向に回転させるかを指定すると、アルゴリズムによって、必要な電磁気割り当ての順序とアドレス (反発、引き付け、または接近) が自動的に計算されます。

将来的には、モジュール式ロボットの応用シナリオは宇宙から地上へと移行するでしょう。これには、地球の重力環境内で電磁石が自ら再構成されるように、より詳細なモデリングと最適化が必要になります。エレクトロボクセルにはまだ欠点がある。カーネギーメロン大学ロボット工学研究所の助教授で、この研究には関わっていないザカリー・マンチェスター氏は、放物線飛行のテストで微小重力をシミュレートできることが示されているものの、無重力状態以外では機能しない、と指摘する。しかし、地上で方向転換するのに十分な力を集めることは困難です。

研究チームは、これらの立方体を地球の重力に耐えられるほど強くし、これらのロボットが宇宙での生活の劣悪な条件を軽減し、人々が地上で大規模かつ再構成可能な活動を確立できるようにしたいと考えている。 MITの博士課程の学生であり、この研究論文の主著者であるマーティン・ニッサー氏は次のように述べた。

「大規模で複雑な構造物を建設する場合、組み立て工の空き状況や専門知識、輸送手段のサイズ、または組み立て場所の劣悪な環境条件によって制限されることは望ましくありません。これは地球上では真実ですが、宇宙で物を作る場合は非常に複雑になります。構造物を単純で均質なモジュールから組み立てることができれば、これらの問題の多くを排除できます。したがって、宇宙環境には大きな潜在的利点がありますが、逆説的に、これらの問題のいくつかは微小重力によって提供される好ましい力学により、実際には解決が容易になります。宇宙では、小さな力でも大きな物体を動かすことができます。この技術を宇宙での短期的な実際的な問題の解決に適用することで、地球で使用できる将来の技術を育むことができると期待しています。 」

ElectroVoxels は単一目的のロボットではなく、組み合わせてさまざまな機能やタイプの構造を構築できる小さなモジュールです。サイズは小さいですが、宇宙探査において重要な役割を果たすことができます。