「Tuxingsun」ロボットは、空気の流れを利用して地下を自由に行き来するロボットで、サイエンス誌のサブマガジンの表紙に登場しました。

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この一見ばかげた「異物」が、実は穴を掘ることができる柔らかいロボットだなんて想像できますか?

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なぜダバイを思い出すのでしょうか？

見た目が似ているだけでなく、構造も多少似ています。

この掘削ロボットもベイマックスのように膨らませることができます。

さらに、彼の能力はベイマックスと同じくらい強力で、掘削ツールなしでも柔軟に地下を回避できます。

たとえば、わずか数秒で砂に穴を開けることができます。

「地下」の奥深くまで行くのはとても簡単で、速度も非常に速いです。

そして彼は Tuxingsun のように地中に隠れて自由に移動することができます。

これは、最近サイエンスの子会社であるサイエンス・ロボティクスの表紙に登場したソフトロボットで、カリフォルニア大学サンタバーバラ校とジョージア工科大学の研究者が共同で開発したものだ。

乾いた砂に毎秒4.8メートルの速度で穴を掘り、砂の中で360度回転することができます。

これにより、ロボットが地下でどのように機能するかを研究するための新たなアイデアも生まれます。

現在、チームは月とエンケラドゥスの掘削技術を提供するためにNASAと協力関係を結んでいる。

エアフローエスケープ

では、この一見無力なソフトロボットは地下でどのように機能するのでしょうか?

ご存知のとおり、地下環境の抵抗は空気や海中よりもはるかに大きいのです。

これは、ロボットがまだ地下空間で活躍できていない主な理由の 1 つでもあります。

△媒体による抵抗の違い

この目的のために、科学者たちは地下の生物からインスピレーションを得ようとし始めました。

最初に思い浮かぶのは、植物の根茎です。

地下深くまで這い進むことができるのは、主に地下茎の先端のおかげです。

そのため、このソフトロボットにも、道を開くために使用できる同様の機械的な先端があり、主要部分はより滑らかなホースを使用し、ガスを使用してロボットを前進させます。

これにより、ロボットの動きの速度と柔軟性が向上します。

しかし、研究者たちはすぐに、ロボットが砂の上をどんどん歩くにつれて、ロボットの体がどんどん長くなり、それに応じて発生する抵抗が大きくなることを発見しました。最終的には、ロボットは抵抗に打ち勝つことができず、動けなくなってしまいます。

この時、彼らは再びタコのことを考えた。

タコは軟体動物です。砂の山に潜りたいときは、まず水を噴射して砂を砕き、次に触手を使って砂の中に潜ります。

そこで研究者たちはロボットの先端に空気ジェットを追加しました。

ロボットが通過する際の抵抗を減らすために、まず砂を緩めます。

ロボットの前進運動の抵抗の問題が解決された後も、研究者たちはその前進運動効果がまだ十分ではないことを発見した。

ロボットはいつも砂の上を歩いていたので、頭を出して歩いていました。

これは、砂山内の力条件が非常に複雑であるためです。水平方向の抵抗に加えて、垂直方向にも揚力が発生します。

そのため、ロボットが常にバランスの取れた状態を維持することは困難です。

では、地下で自由に移動できるようにするにはどうすればよいでしょうか?

今回、研究者たちは砂漠の爬虫類について考えました。

たとえば、砂トカゲはくさび形の頭を使って土の中での浮力を調整することができます。

この目的のために、研究者らは、ステルス中にロボットが生成する揚力を打ち消すために垂直の空気ジェットを追加しました。

その効果から、ロボットの動きは非常に荒々しいものの、地中に留まることができることがわかります。

抵抗を大幅に軽減

ソフトロボットの動作を正確に理解するために、研究者らは次の 3 つの状況でソフトロボットのパフォーマンスをテストしました。

• 最先端のデバイスのみ
• 1つの空気流装置が設置されている
• 2つのエアフロー装置を装備

機械的な先端のみを使用して経路を開くと、経路が長くなってもソフトロボットの水平方向の抵抗は増加しません。

オープンチップを使用しない場合、抵抗は経路の長さに比例します。

ソフトロボットにエアフロー装置を設置した後：

垂直方向では、空気の流れを利用して装置を駆動しない場合、発生する抵抗は到達した深さに比例します。

空気の流速が上昇し続けると、発生する抵抗は大幅に減少しますが、一定の深さに達すると、抵抗は依然として大幅に増加します。

研究者たちは、さまざまな深さの砂の中で水平に移動するソフトロボットの抗力と揚力をテストした。

同時に、気流装置の角度も変更しました。0 度は水平方向と平行、90 度は水平方向と垂直を意味します。

データは、深さ 43 mm と 80 mm では、空気流の速度が増加するにつれて、ソフトロボットが前進する際の抵抗が減少することを示しています (下の図 B と C)。

しかし、抵抗の大きさと気流の角度は単純な正負の比率ではありません。

揚力に関して言えば、ガスの速度が増加すると揚力は減少します。

深さ40mm (図 D) では、気流角度は 0 度から 30 度の間であり、角度の増加とともに揚力が増加し、30 度で最大値に達します。

30 度から 60 度の間では、角度が増加するにつれて揚力は大幅に減少します。

60 度から 90 度の間では、揚力は基本的に変化しません。

深さ80mmの場合 (図 E)、同様の傾向が見られ、角度が低いほど揚力の低減効果は小さくなり、角度が大きくなるにつれて達成できる効果が相対的に高くなります。

動的気流装置をベースに、垂直気流装置を設置した後：

ソフトロボットのステルス効果は、垂直方向の気流速度に比例します。

低速では、ソフトロボットは 9.2 秒間のステルス状態を経て砂から現れました。

高速走行では、24.6秒間走行した後でも砂の中にしっかりと埋もれてしまいます。

未来は宇宙へ

このような小型ソフト掘削ロボットは、土壌サンプルの採取や地下探査など、さまざまなシナリオで使用できます。

さらに、このロボットは媒体内に固定できるため、宇宙の低重力環境での探査に非常に有意義です。

現在、研究チームはNASAと協力し、月やエンケラドゥスの開発に向けた掘削技術を提供するプロジェクトを立ち上げている。

責任著者のエリオット・ホークス氏は次のように述べた。

私たちは、この掘削方法が宇宙でのロボット応用に新たな道を開く可能性を秘めていると信じています。

エリオット・ホークスは、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の機械工学助教授であり、電力システムとロボット制御を研究しています。