爆発力で動く昆虫ロボットは、自重の22倍を運ぶことができ、垂直に59cmジャンプできる。

この小さなロボットはエネルギーに溢れています。体は昆虫ほどの大きさですが、自分の体重の22倍の重さの物を運ぶことができます。這ったりジャンプしたりするのも問題ありません。

ロボットは、自分のサイズより数倍高いプラットフォームに一気にジャンプしました。

より高い高度も可能です:

重い荷物を運ぶ:

コーネル大学の研究者らが開発したこのロボットは、全長29ミリ、重さはわずか1.6グラム、垂直方向に59センチジャンプでき、自重の22倍（36グラム）の物体を運ぶことができる。関連論文「昆虫スケールロボットのための強力でソフトな燃焼アクチュエータ」が Science に掲載されました。

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067

この研究は、内燃機関を使用して小型ロボットを駆動する問題に取り組んでいます。メタン蒸気と酸素を燃焼室に注入し、小さな火花で混合物を点火します。

0.5 ミリ秒未満で、チャンバーの上部がピストンのように上方に膨張し、1 秒間に 100 回繰り返されるサイクルで 9.5 ニュートンの力を生成します。ロボットの各脚は 2 つのアクチュエータによって駆動され、非常に強力なソフト四足ロボットが実現します。

ロボットの各脚を動かすのは、重さわずか325ミリグラム、つまり米国の1セント硬貨の約4分の1の大きさの2つのアクチュエーターです。これらが非常に小さいのは、燃料自体、燃料を混合して供給するシステム、スパーク発生器の電源など、関連するコンポーネントのほとんどが航空機の外部にあるためです。

「アクチュエーターはドラム缶のようで、中空の円筒の上に伸縮性のあるシリコンゴムが乗っている」と、コーネル大学の材料工学者でこの研究のプロジェクトリーダーであるロバート・シェパード氏は言う。「ロボットがジャンプしたり這ったりできるほどアクチュエーターを動かすには、メタンと酸素の流れをそれぞれの足に注入し、バッテリーからの電気で火花を発生させる。ガスが反応して水と二酸化炭素になり、小さな爆発の形でエネルギーが放出され、ピストンのようにゴム層が変形する」

ロバート・シェパード氏はまた、「小さな爆発は素早く起こるため、ゴムを燃やしたり傷つけたりするような炎は出ない。しかし、かなりの推進力が得られる。ロボットは最大56センチの高さまでジャンプでき、自重の22倍の荷物を運ぶことができる」と述べた。

方法の紹介

この昆虫ロボットの最大の特徴は、アクチュエータが実際の爆発に対応する必要があることです。ロボットが爆発するたびに燃え尽きないようにするのは大きな課題でした。

アクチュエータとその構成材料を下図(A)に示し、燃焼実行サイクルを下図(B)に示します。このアクチュエータは非常に耐久性があり、チームは、パフォーマンスが低下することなく、750,000 サイクル以上 (50 Hz で 8.5 時間) 連続して動作できると見積もっています。

アクチュエータの性能は主に 2 つの要因によって影響を受けます。1 つは駆動周波数 f であり、もう 1 つは燃料酸化剤濃度 φ です。燃料酸化剤濃度 φ は次の式で表されます。

次のグラフは、駆動周波数と燃料酸化剤濃度の関数としてアクチュエータの性能を示しています。

ロボットの動作メカニズムをさらに調査するために、この研究では、シリコンゴム膜（アクチュエータ膜）の弾性、バッテリー内の燃料の流れ、燃料によって放出されるエネルギー、圧力、温度など、いくつかの重要な要素を考慮した簡略化されたシステムモデルを構築しました。研究チームはこのモデルを使用して、アクチュエータ膜の変位、アクチュエータの阻止力、ロボットのジャンプの高さ、および作動の関数としての排気流量を予測することができました。

昆虫サイズのデバイスを駆動するマイクロアクチュエータの有効性を実証するために、本研究では、図 3 (A) に示すように、燃焼駆動の四足ロボットを設計し、製造しました。各燃焼室は独立しており、それぞれ前脚と後脚を駆動するために使用されます（図3（B））。点火は火花によって行われ、これによりチャンバーの両端にあるエラストマー膜が膨張します（図3（C）（D））。図 3 (E) は、ジャンプのダイナミクスをモデル化するために使用されるロボットの脚と足の理想的な概略図を示しています。図3（F）は、一連の駆動周波数におけるロボットのジャンプ高さの等価比関数モデルを示しています。

以下はロボットの多歩行機能の表現です。ロボットは燃料比と火花周波数を変更することで動作モードを切り替えることができます。