スズメバチのように機敏！ MITの中国人助教授が「センチメートルサイズ」の昆虫型ロボットを開発

目の前を飛んでいる蚊を手を振って追い払っても、また戻ってきて、とてもイライラします。

しかし、蚊が飛び回るときに示す驚くべき飛行能力と適応力に気づいたことがありますか?

突風で吹き飛ばされる可能性も、未知の障害物にぶつかる可能性も...

彼らの環境は不確実性に満ちていますが、この生活環境が彼らを非常に機敏で回復力のあるものにしているのです。

それで、ドローンはこのことから何かを学ぶことができるのでしょうか?

最近、MITの助教授であるケビン・ユーフェン・チェン氏は、昆虫の敏捷性に近づくロボットシステムを設計しました。

まずビデオを見て理解しましょう:

昆虫のようなドローン

一般的に、ドローンは機敏性が足りず、狭いスペースでは操縦が非常に難しいため、屋外の広い場所で操縦する必要があります。また、ドローンは非常に壊れやすく、衝突した場合に「墜落」する可能性があります。

さらに、大型ドローンの多くは、複雑で狭い環境ではうまく機能しません。

現在のドローンの限界を考慮すると、小型で機敏、障害物に衝突しても飛行できる昆虫のようなドローンを開発できれば、ドローンの用途は大幅に拡大するでしょう。

大型ドローンは通常、電気モーターで駆動されますが、モーターは小型化するにつれて効率が低下します。これは小型ドローンや超小型ドローンでは不可能なので、代替手段を見つけるしかありません。

現在、主な代替手段は、圧電セラミック材料で作られた小型の剛性アクチュエータです。圧電セラミックスは第一世代のマイクロドローンでうまく使用されてきましたが、非常に壊れやすいものです。

ハーバード大学ワイス研究所が設計した史上最軽量の飛行ロボット「ロボビー」

昆虫型ロボットを設計する際の重要な目標の 1 つは、昆虫の回復力を模倣し、ある程度の衝突に耐えられるようにすることです。自然界では、餌を探しているマルハナバチは 1 秒に 1 回程度衝突に遭います。

チェン氏は代替案として、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たソフトアクチュエーターを発見しました（下図参照）。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ロボットの翼が急速に振動します。ソフトアクチュエータは1秒間に500回羽ばたくことができ、ロボットに昆虫のような弾力性を与えます。

ソフトアクチュエーターの固有の柔軟性により、ドローンが衝突した場合でもすぐに跳ね返り、飛行に大きな影響が出ることはありません。

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この機能は、混雑した動的な環境での飛行に最適です。

チェンの昆虫型ドローンは耐久性が高いだけでなく、宙返りも可能で、0.16秒で宙返りを完了します。

チェン氏の昆虫型ロボットの重さはわずか0.6グラムで、マルハナバチとほぼ同じ重さだ。

見た目は、翼の付いた小さなカセットテープのように見えます。

「数センチメートル規模のロボットで飛行を達成するのは常に素晴らしい偉業です」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った。

これらのアプリケーションにとって重要なステップは、現在高い動作電圧を供給するためにドライバーを必要とする有線電源からドローンを切り離すことです。

「著者らが実際の環境で無線飛行を可能にするために動作電圧をどのように下げるのかを見るのが楽しみです。」

このような小型で機敏かつ耐久性に優れたドローンは、複雑な機械の修理（タービンプレートの亀裂の点検）、農作物の受粉、自然災害時の捜索救助などの環境で使用できます。

生物学的問題を解決するためのリバースエンジニアリング

同時に、昆虫型ドローンは、研究者が長年研究してきたテーマである昆虫の飛行の生物学と物理学への扉を開く可能性がある。チェン氏の研究は、一種のリバースエンジニアリングのアプローチを通じて昆虫の飛行問題に取り組んでいます。

「昆虫がどのように飛ぶかを研究したい場合、何かを乱してロボットが運動学や流体力の変化にどのような影響を与えるかを確認できるロボットモデルを構築することは非常に有益です。これは昆虫がどのように飛ぶかを理解するのに役立ちます。」

この研究はIEEE Xplore誌に掲載され、ハーバード大学博士課程の学生Siyi Xu氏、MIT博士課程の学生Zhijian Ren氏、香港城市大学のロボット研究者Pakpong Chirarattanon氏が共著者となっている。

彼は昆虫レベルのロボット研究に携わり、フォーブスの30歳未満のエリートリストに掲載されました。

Kevin Yufeng Chen は、2020 年 1 月に MIT 電気工学およびコンピューターサイエンス学部の助教授として着任しました。

彼はコーネル大学で応用物理学の学士号、ハーバード大学で文学修士号と工学博士号を取得しました。博士号取得のために、ロボット工学の専門家であるロバート・J・ウッド教授の指導の下で研究しました。前述のRoboBeeプロジェクトはウッド教授が主導しました。

ロバート・J・ウッド教授

その後、チェン氏はハーバード大学で博士研究員として研究を行い、非常に機敏で多用途かつ頑丈な小型ロボットの開発を主導しました。

彼の研究成果は、Science Robotics、Nature、Nature Communications などのトップジャーナルに掲載されています。

彼は2019年のフォーブス30アンダー30リスト（サイエンス）のメンバーであり、フォーブスの紹介では昆虫型ロボットに関する研究が取り上げられました。

彼はミリメートル単位で生体力学を研究し、基礎となる物理原理を抽出し、その研究結果をマイクロロボットの新しい機能に応用しています。

彼はまた、マイクロロボットの機敏で安定した動きを可能にする新しいソフトアクチュエータの開発にも興味を持っています。

さらに、ハーバード大学の博士課程の学生であり、この論文の著者の一人であるSiyi Xu氏は、現在ソフトロボティクスに注力している。

もう一人の著者は、MIT 博士課程の学生 Zhijian Ren 氏です。Google Scholar によると、Ren 氏は現在、ソフトロボット、バイオニックロボット、制御理論に焦点を当てています。

香港城市大学のロボット工学の専門家で准教授のパクポン・チララッタノン氏もいます。彼の主な研究分野は、バイオニックロボット、超小型航空機、羽ばたき飛行などです。