マグロのように尾の弾力性を動的に調整する「ロボットマグロ」がサイエンス誌に掲載

バージニア大学のダン・クイン教授と博士研究員のゾン・チアン氏は、生体力学、流体力学、ロボット工学を組み合わせ、動的弾性制御を利用して高性能な水泳を実現する方法を明らかにした。この研究は、サイエンス・ロボティクスの最新号に掲載されている。

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ロボットマグロの尾部に組み込まれた弾力性調整アクチュエーターは、現在の遊泳速度に応じて尾部の弾力性をリアルタイムで調整できます。出典: Qiang Zhong、Daniel Quinn /バージニア大学。

従来のプロペラ駆動式水中車両システムは、特定の設計巡航速度では高い推進効率を維持できますが、通常、高速と低速の両方で高い推進効率を維持することはできません。対照的に、自然界の魚は、より広い範囲の速度で極めて高い遊泳効率を維持することができます。重要な要素は、筋肉でできた魚の柔軟な体です。これにヒントを得て、研究者たちは過去に、柔軟な油圧アクチュエータや柔軟なバイオニック腱を使用して魚の解剖学的構造を模倣するなど、魚を模倣した柔軟なロボット魚システムをいくつか開発してきました。しかし、適切な弾性設計をどのように選択するかが大きな問題です。

弾性構造の設計が不適切だとロボット魚の遊泳性能が低下し、推進速度と効率が生物学的プロトタイプに比べて大幅に劣ることがよくあります。ロボット魚の尾の硬さは、自転車のギアシフトのようなものです。弾性（剛性）が固定された設計のロボット魚は、速度を変えることができない自転車のようなものです。山道を少し走るだけでも、人は疲れてしまいます。しかし、スピードシフト機構により、さまざまな走行条件に最適なギアを選択してエネルギーを節約できます。尾の弾力性が遊泳性能に与える影響とその背後にある流体力学に関する包括的かつ詳細な研究は、将来の高性能バイオニック水中潜水艇の開発にとって極めて重要です。

サイエンス・ロボティクスの最新号の記事で、バージニア大学のダン・クイン教授とポスドク研究員のゾン・チアン氏は、生体力学、流体力学、ロボット工学を組み合わせて、動的弾性制御を利用して高性能な水泳を実現する方法を明らかにしました。この研究では、プログラム可能な人工腱を通じて現在の遊泳速度に応じて尾の硬さを自動的に調整できる、動的な尾の弾力性調整機能を備えたロボットマグロプラットフォームを紹介します。ロボットマグロは、動的な弾性調整により、遊泳速度の調整範囲が広がり、実験では推進効率がほぼ 100% 向上しました。この動的弾性調整方法は、現在の柔軟なバイオニックロボット魚の性能ボトルネックを解決し、将来の高周波、高速の大規模バイオニック水中潜水システムの開発に新たなソリューションを提供します。

論文アドレス: https://robotics.sciencemag.org/content/6/57/eabe4088

素材の硬さをコントロールするのは難しいですか？

魚から学んで、尾の「硬さ」を調整してみてはいかがでしょうか?

生物学的研究によれば、魚は尾を振るために自身の筋肉を使うが、その筋肉の一部は体の弾力性を調整して高い推進効率を達成するためにも使われていることが示唆されている。マグロは筋肉の制御を通じて体全体の腱系を制御し、尾の弾力性を調節します。しかし、その構造的特性のため、生きたマグロの遊泳能力に対する動的弾性調節の影響を直接テストする方法はありません。

マグロの可変速遊泳時の弾性調節機構とその背後にある流体力学原理を探るために、マグロの解剖学的構造をプロトタイプとしてモデル化し、それに基づいてロボットマグロプラットフォームを設計しました。魚の構造や遊泳姿勢を模倣する傾向があったこれまでのバイオニック研究とは異なり、私たちは魚の構造の複雑さを意図的に減らし、尾の弾力性が遊泳能力に与える影響の研究に重点を置きました。さらに、ロボットマグロを駆動し、本物のマグロと同様の遊泳周波数（約7Hz）を実現するための高周波駆動装置も開発しました。

ロボットマグロは、実際のマグロの構造と簡略化された数学モデルに基づいて設計されました。

流体力学とロボット工学を組み合わせて、泳ぐ魚の尾が「硬くなる」仕組みを見てみましょう

本研究では、ロボット工学と流体力学を組み合わせ、流体力学モデルと実験の両方から動的弾性調節が水泳パフォーマンスに与える影響を同時に調査しました。魚体の力学モデルと非定常空気力学モデル（テオドルセンモデル）を組み合わせることで、魚体の動的弾性調節や遊泳性能を数学モデルで予測することができます。さらに、私たちはインテリジェントなサイバーフィジックス実験システムを開発し、私たちが設計したロボットマグロで多数の実験を実施しました。

流体力学実験と数学モデルの予測は非常に一致しており、最高の遊泳性能を達成するには、尾の弾力性を遊泳速度の二乗に応じて調整する必要があるという結論に至りました。

可変速度で泳ぐ場合、尾の弾性係数は泳ぎの速度の2乗に比例して増加し、この単純な調整によって最高の推進効率が達成されることが分かりました。動的弾性制御の実環境における有効性をさらに検証するために、情報物理学実験システムを使用して、長時間の持久力操縦水泳タスクをシミュレートしました。マグロと同様の水泳パラメータ範囲（スイング周波数：0〜6Hz、水泳速度：0〜2体長/秒）内で、動的弾性制御により最大100％近くの推進効率向上を達成できます。

動的弾性調整は幅広い応用の可能性を秘めている

私たちが提案した動的弾性調整法は、長年研究者を悩ませてきた柔軟なバイオニックロボット魚の性能ボトルネックを解決し、将来の高周波、高速の大規模バイオニック水中潜水システムの設計に理論的基礎を提供します。研究結果は、現在のロボットマグロプラットフォームに適用できるだけでなく、他の多くのバイオニック推進アプリケーションシナリオにも拡張できます。私たちのモデル予測に基づくと、動的弾性制御は、大規模、高速、高周波のバイオニック潜水艇に特に適しています。この研究は、将来の高性能バイオニック推進システムの開発に新たなソリューションを提供し、バイオニックフレキシブルマシンシステムの推進性能と応用能力を大幅に向上させ、柔軟なインテリジェント機器を単一の実験環境から実際の海洋運用などの複雑なシナリオに移行できるようにすると期待されています。