MITが組み立てロボットを開発：将来的には宇宙コロニーを建設できる

2 台のプロトタイプ組み立てロボットが稼働しており、ボクセルと呼ばれる一連の小さなユニットを組み立てて、より大きな構造物を形成しています。

MITの博士課程の学生ベンジャミン・ジェネット氏とMIT原子研究センターのニール・ガーシェンフェルド教授は、非常に小さな部品から大きな構造物を組み立てることができる組み立てロボットのプロトタイプを開発したと、IEEE Robotics and Automation Letters科学誌に報告した。このような小型ロボットシステムは、将来、航空機から宇宙居住地に至るまで、高性能な構造物を構築することになるかもしれません。

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ベンジャミン・ジェネット、MIT博士課程学生

たとえば、航空機の製造を考えてみましょう。今日の民間航空機は、一般的にセクションごとに製造され、多くの場合、異なる場所で製造されます。たとえば、翼は 1 つの工場、胴体セクションは別の工場、尾翼コンポーネントは別の場所などです。その後、大型貨物機で中央工場に運ばれ、最終組み立てが行われます。しかし、最終組み立てが唯一の組み立てであり、航空機全体が多数の小さな同一部品で構成され、そのすべてがマイクロロボットの群れによって組み立てられるとしたらどうなるでしょうか?組み立てロボットのプロトタイプ版は、小さな構造物を組み立てたり、チームとして作業してより大きな部品を組み立てたりすることで、この問題を解決できる可能性があります。

この画像シーケンスは、建設中の構造物の反対側の上下に構造ユニットを運ぶ組み立てロボットの動作を示しています。

「このロボットは、最先端の機械設計、素晴らしいデモンストレーション、そして 10 万以上の要素からなるシミュレーション スイートのハードウェアを組み合わせたものです」とヒューストン大学の電気およびコンピュータ工学の准教授、アーロン ベッカー氏は語ります。「その中核にあるのは、私たちが相対ロボティクスと呼んでいる技術です。」

歴史的に、ロボットは 2 つの大きなカテゴリに分類されてきました。工場での組み立てなどの特殊な用途向けに慎重に最適化された高価なカスタム コンポーネントから作られたロボットと、パフォーマンスがはるかに低い安価な大量生産モジュールから作られたロボットです。しかし、MITの科学者が開発したこの新しいロボットは、その両方を置き換える可能性があります。これは前者のタイプのロボットよりもはるかに単純で、後者のタイプのロボットよりもはるかに強力であり、飛行機から橋、建物全体に至るまで、大規模なシステムの製造に革命を起こす可能性を秘めています。

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ニール・ガーシェンフェルド教授

ガーシェンフェルド教授は、根本的な違いはロボット装置とそれが扱い操作する材料との関係にあると述べた。これらの新しいタイプのロボットでは、ロボットを構造から切り離すことはできず、システムとして連携して動作します。たとえば、ほとんどの移動ロボットは位置を追跡するために高精度のナビゲーション システムを必要としますが、新しい組み立てロボットは、現在作業中のサブピクセルと呼ばれる小さなサブユニットに対する位置を追跡するだけで済みます。ロボットが次のボクセルに足を踏み入れるたびに、現在立っている特定のコンポーネントに基づいて常に位置感覚を再調整します。

この利点の 1 つは、最も複雑な画像でも画面上のピクセル配列を使用して再現できるのと同様に、ほぼすべての物理的オブジェクトを、より小さな 3 次元フラグメント (ボクセル) の配列として再構築でき、それ自体を単純な支柱やノードにすることができることです。

チームは、これらのシンプルなコンポーネントを配置することで負荷を効率的に分散できることを実証しました。主にオープンスペースで構成されているため、構造全体の重量は最小限です。ユニットは、簡単な組み立て作業で持ち上げて隣り合わせに配置し、各ボクセルに組み込まれたラッチ システムを使用して固定することができます。

ロボット自体は、中央でヒンジで連結された 2 つの長いセクションと、ボクセル構造を固定するための装置が両端に付いた小さな腕のようなものです。これらの単純な装置はワームのように動き回り、V 字型の本体を繰り返し開閉しながらボクセルの列に沿って進み、あるボクセルから別のボクセルへと移動します。ジェネットさんはこの小さなロボットをBILL-E（二足等方性動作検出器）と呼んでいます。

プロトタイプ組立ロボットの動作アニメーション

ジェネット氏は、概念実証設計としてアセンブラーのいくつかのバージョンを構築したほか、各アセンブラーを隣接するアセンブラーから簡単に分離したり組み立てたりできるロック機構を備えた対応するボクセル設計も構築しました。彼はこれらのプロトタイプを使用して、ブロックを線形、2 次元、3 次元の構造に組み立てることを実証しました。 「ロボットに精度を求めるのではなく、徐々に形が出来上がっていく構造から精度が生まれるのです」と同氏は言う。「これは他のロボットと違います。次のステップがどこなのかを知るだけでいいのです。」

ガーシェンフェルド教授は、部品が組み立てられると、各マイクロロボットが構造物上で歩いた歩数を数えることができると述べた。これにより、ナビゲーションに加え、ロボットは各ステップでエラーを修正できるようになり、従来のロボットシステムの複雑さが大幅に軽減されると彼は述べた。 「通常の制御システムのほとんどが欠けているが、ステップを見逃さない限り、どこにいるかはわかっている」と彼は語った。実際の組み立てアプリケーションでは、これらのコンポーネントが多数登場するため、それらが連携してプロセスをスピードアップできる。 科学者たちはまた、ロボットが作業を調整し、互いに干渉しないようにする制御ソフトウェアも開発した。

子供がレゴブロックで大きな城を組み立てるのと同じように、単純なロボットシステムを使用して同一のサブユニットから大きな構造物を組み立てるこのアプローチは、すでにNASAを含むいくつかの潜在的ユーザーの関心を集めており、エアバスがこの研究を後援している。

この組み立てロボットの利点の 1 つは、最初の組み立てと同じロボット プロセスを使用して簡単に修理できることです。損傷した部分を構造から取り除き、新しい部分に置き換えることで、元の構造と同等の強度を持つ構造を実現できます。 「解体と再構築は、構築と同じくらい重要です」とガーシェンフェルド教授は語った。この設計により、時間の経過とともにシステムを変更したり改良したりすることもできる。宇宙ステーションや月面居住地の場合、これらのロボットは構造物上で生活し、継続的にメンテナンスや修理を行うことになります。

ガーシェンフェルド教授は、最終的にはこのようなシステムが、特に宇宙、月、火星などの厳しい環境下で建物全体を建設するために利用できるようになるだろうと考えています。大型の組み立て済み構造物を地上から輸送する必要がなくなります。代わりに、小さなサブユニットを大量に送ったり、現地の材料を使って最終目的地でサブユニットを製造するシステムを使用したりすることもできる。

「このような超軽量デジタル材料は、効率的で複雑なシステムを構築する素晴らしい方法を提供します」と、ドイツのブラウンシュヴァイク工科大学のオペレーティングシステムおよびコンピュータネットワーク研究所の所長であるサンドル・フェケテ氏は語った。「大型構造物は航空宇宙用途では極めて重要です。」

しかし、フェヒター氏はそのようなシステムを組み立てることは困難であると考えており、制御システムをさらに開発するためにMITの研究チームに参加する予定だ。

「小型でシンプルなロボットを使うことで、次のブレークスルーが期待できるのはこの点です。ロボットは疲れたり退屈したりしません。多数の小型ロボットを使うことが、この重要なタスクを達成する唯一の方法のようです」とフェヒター氏は述べた。「ジェネット氏のチームによるこの非常に独創的で独創的な研究は、飛行機の翼を動的に調整したり、巨大なソーラーセイルを作ったり、さらには再構成可能な宇宙居住地を構築したりするための大きな一歩です。」

「このプロセスで、私たちはハイブリッド材料ロボットシステムの新たな領域を探求しているように感じています」とガーシェンフェルド教授は言う。