MITの新世代の昆虫型ドローンは、転がったり、ジャンプしたり、群れをなして飛んだりすることができ、人間の衝撃にも耐えられる。

バイオニック鳥類や昆虫はドローン研究の分野で常に重要なテーマであり、スタンフォード大学の学者が作った羽根の付いた「ロボット鳩」など、さまざまな飛行ロボットが登場している。 MIT助教授でハーバード大学マイクロロボティクス研究所の元博士研究員であるケビン・ユーフェン・チェン氏は、昆虫型ロボットの開発に取り組んでおり、同研究所がこれまでに作った中で最も軽い飛行ロボット「Robobee」を改良した。最近、彼は機敏性と弾力性を兼ね備え、狭い空間でも動作し、人間との衝突にも耐えられる、新世代の昆虫型マイクロドローンを紹介する研究を発表しました。

私たちは皆、蚊という「迷惑な」生き物が飛行中に極めて高い柔軟性と回復力を持っていることを知っています。これらの機能により、強風や障害物の多い、その他の不安定な空中環境でも正常に飛行することが可能になります。残念ながら、これらの機能をマイクロ飛行ロボットに実装するのは困難です。

MIT電気工学・コンピューターサイエンス学部（EECS）の助教授ケビン・ユーフェン・チェン氏は、昆虫の敏捷性に迫るシステムを構築し、比類のない敏捷性と回復力を備えた昆虫サイズのドローンを開発した。

航空ロボットは、実際の飛行中に物理的な衝突に耐えることができる新しいタイプのソフトアクチュエーターによって駆動されます。チェン氏は、将来、ドローンが作物の受粉や狭い空間での機械監視作業などを行うことで人間を助けるようになることを期待している。関連する研究はIEEE Transactions on Robotics誌に掲載されました。

論文リンク: https://ieeexplore.ieee.org/document/9357346/authors#authors

この昆虫サイズのドローンにはどんな特徴があるのでしょうか?

まず、ドローンのアクチュエーターはカーボンナノチューブでコーティングされた薄いゴム製のシリンダーで作られています。電気が加えられると、カーボンナノチューブが静電気力を発生させ、ゴム製のシリンダーを圧迫したり伸ばしたりします。伸縮を繰り返すことでドローンの翼が素早く羽ばたき、スムーズに離陸・飛行できるようになります。

第二に、人間との衝突に耐えることができます。

最後に、空中で転がってジャンプし、離陸することができます。

多くのネットユーザーがこの昆虫型ドローンを高く評価しており、ドローン業界全体に革命を起こすだろうと信じている。

MIT の昆虫型ドローンの説明

通常、ドローンは狭い空間を飛行できるほど機敏ではなく、混雑した環境での衝突に耐えられるほど頑丈でないため、広いオープンスペースを必要とします。今日のドローンはサイズが大きく、ドローンの用途のほとんどは屋外での飛行です。しかし、疑問は、昆虫サイズのドローンを作成し、非常に複雑で雑然とした空間で飛行させることができるかどうかです。

チェン氏は、小型の空中ドローンを製造するのは大きな課題だと語った。小型ドローンの構造は大型ドローンとは全く異なります。大型ドローンは通常、電気モーターで駆動されますが、小型化するとモーターの効率が低下します。したがって、昆虫型ドローンの場合は代替手段を探す必要があります。

MIT助教授、ケビン・ユーフェン・チェン氏。

これまで、主な代替手段は、圧電セラミック材料から作られた小型の剛性アクチュエータを使用することでした。圧電セラミックスにより第一世代のマイクロドローンは飛行可能となったが、非常に壊れやすいものであった。チェン氏は、より硬くて壊れやすいアクチュエーターの代わりに柔らかいアクチュエーターを使用した、より耐久性の高いマイクロドローンを設計した。

ソフトアクチュエーターは、カーボンナノチューブでコーティングされた薄いゴムシリンダーで作られています。カーボンナノチューブに電圧をかけると、静電気力が発生し、ゴム製のシリンダーが圧迫されたり伸びたりします。伸縮を繰り返すことでドローンの翼は急速に羽ばたきます。

チェン氏が使用するアクチュエーターは1秒間に約500回羽ばたくことができ、ドローンに昆虫のような跳ね返りを与える。飛んでいる間に攻撃することはできますが、自動的に回復します。さらに、空中で宙返りするなど攻撃的な動きも可能。重さはわずか0.6グラムで、マルハナバチと同じくらいの重さです。ドローンは翼の付いた小さなカセットのように見えるが、チェン氏はトンボのような新しいプロトタイプの開発に取り組んでいる。

「数センチのロボットで飛行を実現できたのは素晴らしいことです」とコーネル大学の電気・コンピュータ工学助教授ファレル・ヘルブリング氏は語る。「ソフトアクチュエーターの固有の柔軟性により、ドローンは障害物にぶつかっても飛行を大幅に妨げることなく安全を保つことができます。この特性は雑然とした動的な環境での飛行に適しており、多くの実世界のアプリケーションで非常に役立ちます。」

ヘルブリング氏は、こうしたアプリケーションを実現するための重要なステップは、現在アクチュエータの高い動作電圧によって必要とされる有線電源からロボットを解放することだと付け加えている。

影響の点では、昆虫のようなドローンの開発は、昆虫の飛行の生物学と物理学を理解するための窓口となります。チェン氏は、一種のリバースエンジニアリングを通じてこれらの問題を解決し、将来的には彼のドローンが産業や農業で利用できるようになることを期待している。