浙江大学のロボット魚がネイチャー誌に登場：マリアナ海溝の奥深くまで到達、画期的な進歩

人類は初めて、水深1万メートルでのソフトロボットの深海制御と深海自律遊泳実験を達成し、ロボット工学分野における大きな進歩となった。

3月4日、ネイチャー誌の最新号は、浙江大学、浙江実験室、中国科学院深海科学工程研究所、国防科学技術大学、上海海洋大学、大連海事大学などのチームが共同で完成させた新たな研究を表紙記事の形で紹介した。論文のタイトルは「マリアナ海溝の自走式ソフトロボット」である。

ロボットのひれは、地球の海の最も深い部分であるマリアナ海溝のチャレンジャー海淵の深さ1万900メートルでも作動します。ここでの水圧は海面の大気圧の約1000倍で、約1億300万パスカルに換算できます。 「これは象が親指の上に立っているのと同じだ」とニューヨーク州立大学ジニーセオ校の深海生理学者・生態学者、マッケンジー・ゲリンジャー氏は言う。

深海の巨大な圧力は、エンジニアリング設計に厳しい課題をもたらします。従来の深海ロボットや有人潜水艇は、安定性を確保するために頑丈な金属フレームや圧力補償システムを使用していますが、これらの機械は大きくてかさばり、故障のリスクは依然として高いです。浙江大学が提案した新しいソフトロボット技術により、この問題はほぼ解決されました。

深海では極限の状況が起こり、地球の表面の大部分は未開発のままです。李鉄峰氏らが設計したロボットは、深海動物のミノカサゴからヒントを得たものです。彼らは、電子機器をシリコンマトリックスに統合し、深海の圧力から電力、制御、駆動システムを保護する、ケーブルのないソフトロボットを開発しました。この自己駆動型ロボットは、いかなる剛性コンテナも必要とせず、マリアナ海溝の深さ10,900メートルから正常に起動し、南シナ海の深さ3,224メートルで自由に移動できます。

次のアニメーション画像は、加圧水槽、深い湖、南シナ海、マリアナ海溝の 4 つのテスト シナリオでソフト ロボットが泳ぐ様子を示しています。

ロボットは加圧された水室内で円を描いて泳ぎます。

ロボットは水深70メートルの湖で泳いだ。

ロボットは南シナ海の水深3,224メートルを自由に泳ぎ回った。

ロボットはマリアナ海溝の水深10,900メートルで側面のフィンを羽ばたかせます。

西太平洋のマリアナ海溝は、知られている海洋の最深部であり、水圧が高く、水温が低く、完全な暗闇であることから、「地球の第4の極」と呼ばれています。浙江大学などの研究機関は、1万メートルの深海でのソフトロボットの制御や深海自律遊泳実験の実現をリードしています。

柔軟であることでのみ、大きな圧力に耐えることができる

論文によれば、浙江大学が発明した軟質素材ロボットは、未踏の深海を探索できる能力があるという。さらに印象的なのは、このロボットは地球上で最も深いとされるマリアナ海溝でも活動できると著者らが述べていることだ。従来の水中ロボットは、深海の高い圧力に耐えるために金属材料で作られた防水シェルを必要とし、海水深の増加に伴い、これらの防水シェルの厚さとサイズも増加する必要があります。一方、浙江大学のソフトロボットに使用されている精密超軟質シリコン電子部品は、軟質シリコンに埋め込まれて分散されており、この設計では耐圧シェルは必要ありません。

下の図は、ソフトロボットの全体的な設計と製造プロセスを示しています。

具体的な設計としては、このバイオニックソフトロボット魚は、全長22cm（胴体長11.5cm、尾の長さ10.5cm）、翼幅は28cm（A4用紙の縦横とほぼ同じ）で、下図に示すように、羽ばたく2つの側ひれを備えています。

「私たちの研究におけるもう一つのブレークスルーは、高圧と低温の条件下でも良好な電気駆動性能を維持できる電気駆動スマートソフトマテリアルの設計です」と李鉄峰教授は語った。

著者らは、ロボットの胴体にある「筋肉」に取り付けられた側面のひれの羽ばたきを駆動するために、高度なメカニズムを使用している。筋肉は電気エネルギーを機械的な仕事に変換できる柔らかい素材でできており、ロボットのバッテリーが筋肉に電力を供給すると変換が始まります。小さな固体構造が収縮する筋肉を側鰭に機械的に連結し、羽ばたきを引き起こします。

ソフトロボットの胴体デザイン。

魚のひれがパタパタと動きます。

リー氏とその協力者が直面した課題の1つは、ソフトロボットの電子部品を高電圧に耐えられるようにする方法を見つけることだった。彼らは、鈍口ミノカサゴ（Pseudoliparis swirei）の頭蓋骨からインスピレーションを得ました。この魚の頭蓋骨は完全に硬い骨でできているわけではなく、その優れた延性により、耐える圧力のバランスをとることができます。この新しいロボットは、従来のように電子部品を積み重ねるのではなく、電子部品を分離して柔らかいシリコンで包みます。

鈍口ミノカサゴ（Pseudoliparis swirei）は西太平洋のマリアナ海溝の水深6,200～8,100メートルに生息しており、2014年11月に科学者らによって発見された。

「従来の『装甲型』高圧深海潜水装置と比較して、我々は新たな技術的ルートでバイオニック深海ソフトロボットを開発し、深海探査の難易度とコストを大幅に削減することを目指している」と李国睿氏は述べた。

実験テストとシミュレーションにより、この配置により水圧下での電子部品間のインターフェースの応力が軽減されることが示されました。個々の電子部品は柔らかいシリコンに埋め込まれ、ロボットに組み込まれます。この方法は、深海機器の電子部品を保護するための他の方法よりも実用的で安価です。次の図は、集中型および分散型の電子部品配置のストレス テストを示しています。

李国睿氏と彼の同僚は、まず実験室の加圧水槽でソフトロボットの遊泳能力をテストした。ロボットはポールに接続され、ポールの周りを泳いだ。その後、水深70メートルの湖でテストが行​​われ、ロボットは毎秒3.16センチメートルの速度で自由に泳ぎました。その後、南シナ海の水深約3,200メートルでのテスト中に、ロボットは毎秒5.19センチメートルの速度（毎秒ロボットの胴体の長さの約0.45倍に相当）に達し、これは他のソフトロボットの性能と一致しています。最後に、ロボットはマリアナ海溝で側面フィンの羽ばたきと圧力耐性のテストを受け、補助用の水中ロボットが接続され、テスト画像を撮影しました。

下の画像（左）は、ロボットが水圧室と深い湖でテストされている様子を示しています。下の画像（右）は、ロボットが深海でテストされている様子を示しています。

2019年12月、ソフトロボットはマリアナ海溝の底に着陸しました。海上試験のビデオ映像では、ロボットがマリアナ海溝の深さ10,900メートルで安定した羽ばたき駆動を実現したことが示されています。 2020年8月27日夕方、ソフトロボットは南シナ海の水深3,224メートルでの自律遊泳に成功した。 「午前3時、私たちはメインコントロールルームで、ロボットが海底に着水するのを一秒一秒見守っていました。ロボットが予定通りの泳ぎを終えたのを見て、ようやくほっとしました。数年にわたる厳しい探査が、ついに画期的な進歩を遂げたのです」と李国睿氏は語った。

深海ソフトロボットの意義と潜在的応用

水中用途のソフトロボットを開発する試みはいくつか行われてきましたが、ロボットのセンサーは水中環境ではうまく機能しないため、この分野ではロボットと物体間の正確な相互作用は困難です。海洋生物学者による研究のために壊れやすい海洋生物を収集および取り扱う場合、ソフトロボットグリッパーは、剛性グリッパーデバイスに比べて明確な利点があります。生体模倣の軟体ロボット魚は、他の魚を邪魔することなく一緒に泳ぐことができるため、近距離で研究することができます。

現在、Guorui Li 氏とその同僚による研究により、実現可能な限界が押し広げられ、電子機器の硬い保護カバーを柔らかい素材に埋め込まれた分散型電子機器に置き換え、新世代の深海探検家への道が開かれました。

もちろん、浙江大学やその他の機関が設計したロボットには、まだ改善が必要な部分がいくつかあります。まず、泳ぐ速度が少し遅いため、海流の干渉に耐えることができません。特定の用途をターゲットにする場合、移動能力をさらに強化する必要があります。しかし、明らかに、李国瑞氏らの研究は、信頼できる深海探査機械の基礎を築いた。

それほど遠くない将来、このタイプのロボットによって、海洋生物学研究のまったく新しい道が開かれるかもしれません。つまり、ソフトロボットを使って海底のサンゴ礁や洞窟を安全に移動するのです。多数のソフトロボットを海底に配備すれば、海洋監視、有害物質の除去、生物防護など、より生産性の高いアプリケーションを開発することができます。総じて、過酷な環境で作業できるロボットは、人々が広大な海の深部を探索するための新たな希望をもたらします。

研究グループは今後も深海ソフト知能機器の統合エネルギー、駆動、知覚システムの研究を継続し、バイオニック深海ソフトロボットの知能を高めながら、応用コストを削減していきます。

共同研究チーム

浙江大学の博士課程学生であり、浙江実験室の知能ロボット研究センターの上級研究専門家である李国瑞氏、浙江大学の博士課程学生である陳翔平氏と周芳浩氏が論文の共同筆頭著者であり、浙江大学の李鉄峰教授が論文の責任著者である。

研究過程では、数値計算と多数の圧力環境シミュレーション実験により、この方式の実現可能性が検証されました。研究チームは、深海の実環境におけるロボットの信頼性をさらに検証するため、上海海洋大学、中国科学院深海科学工程研究所、大連海事大学、広東省海洋地質調査局などの機関の共同支援を受けて、マリアナ海溝、南シナ海などの地域で深海試験を実施した。

李鉄峰教授（中央）と本研究の主著者である李国瑞、陳翔平、周芳浩、梁一明。

論文の責任著者である李鉄峰氏は、浙江大学の教授であり、博士課程の指導者です。2012 年 8 月に浙江大学応用力学研究所に加わり、その後浙江大学学際力学センターに加わり、浙江大学ソフトロボットおよびインテリジェント機器研究所を担当しています。李鉄峰教授の主な研究分野は、ソフトマター力学、インテリジェント材料構造設計、ソフトロボット、水中インテリジェント設備、医療リハビリテーション装置などです。 インテリジェントソフトマテリアル力学、インテリジェント構造、複合材料、ソフトロボットなどの研究を行い、電気機械的不安定性を制御することで最大の電気誘起変形を実現するための駆動理論を提案しました。

李鉄峰教授は、Science AdvancesやAdvanced Materialsなどのジャーナルに50本以上の論文を発表し、2,000回以上引用されています。中国国家自然科学基金優秀青年基金、中国科学技術協会若手人材支援プロジェクト、科学探究賞（フロンティア学際分野）、MITテクノロジーレビューテクノロジーイノベーション35（MIT TR35-China）などの栄誉を受賞しています。