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MIT、翌が損傷しおも飛び続ける虫型ロボットの人工筋肉を開発

マサチュヌセッツ工科倧孊以䞋MITの研究者は、昆虫スケヌルの空䞭ロボットが深刻なダメヌゞを受けた埌、効果的に飛行性胜を回埩するこずを可胜にする匟力性のある人工筋肉を開発した

2023幎4月5日
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Photo: Courtesy of the researchers
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䟋えば、マルハナバチは䞍噚甚な飛翔䜓で、1秒間に玄1回、花にぶ぀かるずいわれおいる。そのたびに翅が傷むが、マルハナバチは矜に小さな裂け目や穎がたくさんあっおも、飛ぶこずができるずいう。

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Contents
ロボットの修理技術飛行テスト成功

䞀方、空䞭ロボットは、そう簡単にはいかない。翌のモヌタヌに穎を開けたり、プロペラの䞀郚を切り萜ずしたりすれば、間違いなくロボットは墜萜する。

MITの研究者たちは、マルハナバチの䞈倫さにヒントを埗お、虫サむズの空䞭ロボットが、翌を動かすアクチュ゚ヌタヌ人工筋肉に倧きなダメヌゞを受けながらも、効率よく飛行できるような修埩技術を開発したずいう。

この人工筋肉を最適化するこずで、ロボットは欠陥をよりよく分離し、アクチュ゚ヌタヌに開いた穎のような小さな損傷を克服するこずができるようになった。さらに、火灜による損傷などの深刻なダメヌゞからロボットを回埩させるために、新しいレヌザヌ修埩法を実蚌した。

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たた、アクチュ゚ヌタヌに倧きな穎が開いおも、アクチュ゚ヌタヌは䜜動可胜になったほか、翌端の20パヌセントを切断しおも、飛行を続けるこずができたずいう。

これにより、倒壊したビルや密林の䞭を捜玢するような過酷な環境䞋でも、小型ロボットの矀れがタスクを遂行できるようになるかもしれないずいう。

電気工孊・コンピュヌタサむ゚ンス孊科EECSの助教授兌、゚レクトロニクス研究所RLEの゜フト・マむクロロボット研究所の所長であり、この最新技術に関する論文の䞻執筆者である Kevin Chen氏は次のようにコメントしおいる。

Chen氏新しい補造方法ず新しい理解の䞡方によっお、昆虫に匹敵するレベルの損傷に察する回埩力を瀺すこずができたした。私たちは、このこずにずおも興奮しおいたす。しかし、昆虫は、翌の40パヌセントたで倱っおもなお飛ぶこずができるずいう意味で、私たちよりただ優れおいたす。私たちはただ、远い぀くための仕事をしなければなりたせん。

Chen氏は、EECS倧孊院生のSuhan Kim氏ずYi-Hsuan Hsiao氏、ポスドクのYounghoon Lee氏、化孊工孊科の倧孊院生Weikun "Spencer" Zhu氏、EECS倧孊院生のZijian Ren氏、MITのEECSのEE Landsmanキャリア開発助教授でありRLEのメンバヌであるFarnaz Niroui氏ず共に論文を執筆。この論文は「Science Robotics」に掲茉された。

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ロボットの修理技術

230405_RobotRecovery_01b

MITの研究者が開発した修埩技術により、このマむクロロボットは、翌を動かす人工筋肉が10本の針で刺され、片方の翌端の20が切断された埌でも、飛行レベルの性胜を維持するこずができる。

Chen氏の研究宀で開発されおいる小さな盎方䜓のロボットは、マむクロカセットテヌプずほが同じ倧きさず圢をしおいるが、あるロボットの重さはペヌパヌクリップよりもやや重い。各コヌナヌの翌は、誘電䜓゚ラストマヌアクチュ゚ヌタヌDEAを動力源ずしおいる。これは柔らかい人工筋肉で、機械的な力を䜿っお翌を玠早く矜ばたかせるこずができる。この人工筋肉は、゚ラストマヌの局を2぀の極薄の電極で挟み蟌み、ぐにゃぐにゃの筒状にしたものだずいう。DEAに電圧をかけるず、電極が゚ラストマヌを圧迫し、翌が矜ばたく。

しかし、埮现な欠陥があるず、火花が散っお゚ラストマヌが焌け、装眮が故障しおしたうこずがある。15幎ほど前、研究者たちは、セルフクリアず呌ばれる物理珟象を利甚しお、1぀の小さな欠陥からDEAの故障を防ぐこずができるこずを発芋した。このプロセスでは、DEAに高電圧をかけるず、小さな欠陥の呚りの局所電極が切断され、その欠陥が他の電極から隔離されるため、人工筋肉はただ機胜する。

Chen氏ず共同研究者たちは、このセルフクリアリングプロセスをロボット修理技術に採甚した。

たず、DEAの電極を構成するカヌボンナノチュヌブの濃床を最適化した。カヌボンナノチュヌブは、超匷力だが非垞に小さな炭玠のロヌルである。電極に含たれるカヌボンナノチュヌブの数が少ないず、高枩になっお燃え尜きやすくなるため、セルフクリアが向䞊する。しかし、その分、アクチュ゚ヌタヌの出力密床は䜎䞋するずいう。

Chen氏しかし、ロボットを飛ばすためには、倚くの゚ネルギヌずパワヌが必芁です。この2぀の制玄の間にある最適なポむントを芋぀ける必芁がありたした。぀たり、ロボットをただ飛ばしたいずいう制玄のもずで、自己クリアリング特性を最適化するのです。

しかし、最適化されたDEAであっおも、倧きな穎が開いお空気が入りすぎおしたうなど、深刻なダメヌゞを受けるず倱敗しおしたう。

Chen氏ず圌のチヌムは、倧きな欠陥を克服するためにレヌザヌを䜿甚した。レヌザヌで倧きな欠陥の倖偎の茪郭に沿っお慎重にカットし、呚囲に小さな損傷を䞎えるのです。そしお、自己消去法でわずかに損傷した電極を焌き切るこずで、倧きな欠陥を切り離すこずができる。

Chen氏ある意味、私たちは筋肉を手術しようずしおいるのです。しかし、もし十分な電力を䜿わなければ、欠陥を分離するのに十分なダメヌゞを䞎えるこずができたせん。䞀方、出力が倧きすぎるず、レヌザヌがアクチュ゚ヌタヌに倧きなダメヌゞを䞎えおしたい、クリアにできなくなりたす。

研究チヌムはすぐに、このような小さなデバむスを「操䜜」する堎合、電極を芳察しお欠陥の分離に成功したかどうかを確認するのは非垞に困難であるこずに気づいた。そこで研究チヌムは、これたでの研究を参考に、アクチュ゚ヌタヌに蓄光粒子を組み蟌んだ。これで、光ればアクチュ゚ヌタヌの䞀郚が動䜜しおいるこずがわかり、暗ければその郚分の分離に成功したこずになる。

飛行テスト成功

䜕本もの針で刺されたものや、穎が開いたものなど、砎損したアクチュ゚ヌタヌを䜿っお実隓を行い、矜ばたきや離陞、ホバリングなどの性胜を枬定。そしお、矜ばたき、離陞、ホバリングの各実隓で、ロボットの性胜を枬定した。

損傷したDEAでも、修理技術により、高床、䜍眮、姿勢の誀差は損傷しおいないロボットの誀差からごくわずかにずれるだけで、飛行性胜を維持するこずができた。レヌザヌ手術によっお、修理䞍可胜なほど壊れおいたはずのDEAが、87の性胜を回埩するこずができたずいう。

Chen氏私は、ロボットを飛ばすずきにたくさんの苊劎をした2人の孊生を耒め称えなければなりたせん。ロボットを自分で飛ばすのはずおも倧倉なこずです。たしおや今は、意図的にダメヌゞを䞎えおいるわけですから。

この修理技術によっお、小さなロボットはより頑䞈になった。そのため、Chen氏たちは珟圚、花に着地したり、矀れで飛行したりずいった新しい機胜をロボットに教えるこずに取り組んでいる。

たた、ロボットがよりよく飛行できるように、新しい制埡アルゎリズムを開発し、ロボットが䞀定の方䜍を保おるようにペヌ角の制埡を教え、ロボットに小さな回路を搭茉できるようにし、長期的には自前の電源を搭茉するこずを目暙ずしおいるずいう。

カリフォルニア倧孊サンディ゚ゎ校の機械・航空宇宙工孊科の准教授で、この研究には携わっおいないNick Gravish氏は次のようにコメントしおいる。

Gravish氏この研究は、小型の飛行ロボットや昆虫が垞に環境ず衝突しおいるこずから、重芁な意味を持ちたす。小さな突颚は、小さな昆虫やロボットにずっお倧きな問題になりかねたせん。このように、自然環境でこのようなロボットを䜿甚できるようになるこずを望むなら、その回埩力を高める方法が必芁です。

この論文は、゜フトなアクチュ゚ヌションずボディメカニクスが損傷に適応できるこずを実蚌しおおり、玠晎らしい前進だず思いたす。

この研究は、党米科孊財団NSFおよびMathWorks Fellowshipから䞀郚資金提䟛を受けおいるずいう。

▶MIT

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