虫のようなHAMRロボットは電気を使って逆さまに歩く

虫の寿命は、その短さやトカゲに食べられたり人間に叩かれたりという脅威を除けば、悪くないように思えます。空を飛べるのも、天井を歩けるのもいいものです。その汎用性は誰もが羨むほどで、だからこそロボット工学者たちは、虫の力を機械に取り入れようと躍起になっているのです。

しかし、自然の力を利用するために、ロボット工学者たちは非生物学的な手段に頼っています。昆虫に着想を得た最新のロボットは、逆さまに歩くという課題に、過去のロボット製作者たちが用いてきた接着剤やヤモリの足裏を模倣した素材ではなく、電気、具体的には電気接着を用いて取り組んでいます。

このロボットは、ハーバード・アンビュラトリー・マイクロロボット（HAMR）と呼ばれる既存の昆虫型ロボットの改良版です。HAMRは、重さわずか1.5グラム、体長1.75インチ（約4.7cm）の小さな四足ロボット（昆虫は6本足ですが）です。地上では、対角線上の脚を同期させながら、速歩のような動きで素早く移動することができます。

しかし、逆さまにぶら下がっている間は、この歩行では不十分です。そこでハーバード大学ワイス研究所の研究者たちは、HAMRに「三本足クロール」と呼ばれるより遅い歩行をさせました。これは、3本の脚が地面に接したまま、片方の脚が持ち上がって前進する歩行方法です。「3本の脚が地面に接しているので、常に静的に安定しているという考え方です」と、ワイス研究所のロボット工学者ニール・ドシ氏は述べます。彼は、HAMRの新たな力について解説したサイエンス・ロボティクス誌の論文の共著者です。

静電気についてですが、ロボットが磁石のように表面に張り付いていると考えてください。ここでの力は電気的なものです。それぞれの足の裏には薄い銅の層があり、そこに電線で電圧をかけて正電荷を発生させます。次に、研究者たちはロボットが歩行したい表面を接地し、そこに負電荷を発生させます。正電荷と負電荷が相互作用することで引力が生じ、ロボットは表面に張り付き、逆さまに宙に浮くことができるのです。

ロボットを歩かせるために、研究者たちは3本の脚に電圧を流し続け、吸引力を生み出した。そして1本の脚への電圧を切ると、脚が分離して前進する。そして次の脚、さらに次の脚へと、1本ずつ切り離してロボットを前進させる。地上を小走りするよりもはるかに遅いが、静的安定性を保つには一定のペースが必要だ。

しかし、逆さまにぶら下がっていると、力のかかり方がおかしくなります。例えば、ロボットが前脚を持ち上げると、一種の後方へのピッチングが発生します。そこで研究者たちは「リーチ＆プッシュ」と呼ばれる戦略を採用しました。左前脚が動こうと持ち上げられると、右後ろ脚が反作用として押し出すのです。

「このリーチとプッシュがなければ、5歩も歩けませんでした」とドシは言う。路面の凹凸やロボットのテザーが不自然な形で引っ張られるなど、何らかの外乱があれば、ロボットは必然的に進路を外れてしまうだろう。「この2つのパラメータを適切に調整することで、ランダムな外乱によって進路を外されることなく、80歩、90歩も歩くことができます。」

では、なぜ昆虫のようなロボットが逆さまに歩く必要があるのでしょうか？研究者たちが想定していた具体的な用途は、ジェットエンジンの検査という限られた分野です。しかし、これが電気駆動のアプローチの欠点です。エンジンは金属表面が接地面として機能するため適した環境ですが、他の産業環境では適さない可能性があります。

しかし、HAMRの真価は、少なくともロボットの基準から見れば、幅広い環境を走破できる点にあります。電気吸着パッドを追加しても、地上走行は可能です。他にも電気吸着ロボットは存在しますが、HAMRは非常に小型でありながら、脚が多数搭載されているという点で他に類を見ません。特定の環境で昆虫のように動くロボットを求める場合、例えば戦車のキャタピラよりも4脚の方が有利になるかもしれません。

「様々な表面を移動できる能力は、HAMRプラットフォームの有用性を大幅に高めます」と、スタンフォード大学でスズメバチに着想を得たロボットを研究しているマット・エストラーダ氏は述べている。エストラーダ氏は今回の研究には関わっていない。「このプラットフォームのユニークな有用性の一部は、小さな空間にも入り込めることにありますが、これには本質的にデメリットが伴います。ロボットが小さいと、ほとんどの障害物が非常に大きく見えてしまうのです。水平面を超えて移動できることは、この問題を軽減する大きな一歩です。」

次のステップは、HAMRをテザー（電源ケーブル）なしで逆さまに動かすことです。もちろんバッテリーの追加が必要になりますが、Doshi氏によると、パッドは既に追加の重量を支えるのに十分な粘着力を生み出しているとのことです。

もしかしたら、いつかあなたは、かつて電気接着昆虫を模した検査官がエンジンに張り巡らされていた飛行機に乗ることになるかもしれません。もし機械があの食べ物について何かできるとしたら…

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