この小型ドローンは摩擦を利用して自重以上のものを引っ張る

先週、スタンフォード大学の研究者たちが、ドアを開けられる小型ドローンを開発したと発表しました。しかし、この発表は正直言ってあまり喜ばしいものではありません。ロボットがドアを開けられるようになれば、一体どうやって家からロボットを締め出せるというのでしょうか？

でも、これはかなりすごい。この超小型ドローン（または超小型航空機）は、自重の40倍もの超重量の荷物を牽引できるんです。信じられないかもしれませんが、いや、信じられないくらいすごいんです。

物理的な話に移りましょう。自分の体重をどれくらい引っ張れるでしょうか？

通常の摩擦による引っ張り

平らな地面に立って、ロープの付いた大きな箱を引っ張ろうとしているとします。なぜロープが必要なのでしょうか？ロープは必要ありませんが、図を描く方が簡単です。

重要な点は次のとおりです。ロープをある力（ここでは張力のTとします）で引っ張ると、ロープは同じ大きさの力であなたを引っ張ります。力とは、2つのものの間に働く相互作用です。つまり、ロープを左に10ニュートンの力で引っ張ると、ロープは右に10ニュートンの力であなたを引っ張ります。これが力の性質です。

つまり、ロープでブロックを引っ張ろうとすると、反対方向に引っ張る別の力が必要になり、それによって動きが妨げられます。その別の力が摩擦力です。正直に言うと、摩擦は非常に複雑です。ある物質（靴）を構成するすべての原子が、別の物質（床）を構成するすべての原子と相互作用する様子を想像してみてください。これは、誰にとっても扱いきれないほど複雑です。幸いなことに、摩擦力についてはかなり良い近似値があります。この摩擦​​モデルの詳細は次のとおりです。

• 摩擦力は2つの表面に対して平行です。
• 摩擦力の方向は滑りを防止する方向になります。
• 摩擦力の大きさは、2 つの表面を押し付ける力に比例します (これを法線力と呼び、通常は記号Nで表します)。
• 摩擦力は、2つの表面の種類によっても異なります。木材と鋼鉄の間の摩擦は、木材とプラスチックの間の摩擦とは異なります。これは摩擦係数として表され、記号はμです。
• 最後に、互いに対して静止している物質（静摩擦）と互いに対して滑っている物質（動摩擦）では摩擦係数が異なります。

わあ！摩擦モデルを箇条書きでまとめただけですね。まあ、これは物理学の入門編に過ぎませんが。もっと摩擦について知りたい方は、こちらの投稿をご覧ください。

より大きな物体を引っ張る人（またはマイクロエアロボット）にかかる力を見てみましょう。わかりやすいように、両方の物体をブロックで表しています。

この図では、2つのブロックの質量が異なることに注目してください。重力は質量と重力場（g）の積であるため、質量が大きい青いブロックの方が下向きの重力も大きくなります。ブロックは垂直方向に加速しない（テーブル上に留まる）ため、上向きの法線力は重力と等しくなります。つまり、青いブロックにはより大きな摩擦力が働く可能性があるということです。

赤いブロックが青いブロックを動かせる唯一の方法は、青いブロックと表面の間の摩擦係数が赤いブロックの摩擦係数よりもはるかに小さいことです。ああ、でもこれは実際に起こり得ます。車を押す場合を考えてみましょう。車は自分の体重よりもはるかに重いですが、押すことができます。これは、車が車輪に乗っているため、実質的に摩擦が非常に小さいからです。

しかし、これは物を引っ張る古い方法です。

マイクロ航空機の摩擦

飛行ロボットは通常の摩擦力を利用しません。単純な摩擦力では、超小型のロボットでは重量のある物体を動かすことができません。そこで、これらのロボットは2つの異なる方法で「ごまかし」をしています。1つ目は、超小型の「爪」を使って下にある表面を掴むことです。もはや単純な摩擦ではなく、小さなロボットの手でロープを掴んでいるような感覚です。

2つ目の方法ははるかに興味深いものです。これらのロボットは、ヤモリの特殊なグリッパー表面を使って特殊な素材を非常に滑らかな表面に「掴む」ことができます。ヤモリは非常に細い毛を使って滑らかな表面に張り付くことができます。この毛のおかげで、素材はファンデルワールス力で十分に近づくことができます。

でも、ファンデルワールス力って一体何なのでしょう？まずは、自宅でできる簡単な実験から始めましょう。プラスチックのようなものを用意して、何かにこすりつけてみましょう。私の場合は、塩ビ管をレジ袋でこすっています（綿やウールでも大丈夫です）。こうすると、塩ビ管が静電気を帯びるはずです。さあ、この帯電した塩ビ管を、小さくちぎった紙片に近づけてみましょう。どうなるか見てみましょう。

まるで魔法のようです（科学的な部分を除いて）。本当に素晴らしいデモです。でも、なぜでしょう？なぜ紙は帯電したプラスチックに引き寄せられるのでしょうか？紙は中性ですが、電荷を帯びています。紙の電荷が押し出されて誘導双極子を形成します。図で表すとどうなるでしょうか？PVCが正に帯電していると仮定すると、紙の電荷は次のようになります。

PVCの正電荷は、紙の負電荷をPVCに引き寄せます。これにより、紙の反対側には正電荷が残ります（ただし、紙は中性のままです）。その結果、誘導双極子が発生します。これは私たちがそう呼んでいるだけです。また、厳密に言えば、紙のこの誘導双極子は分子レベルで発生し、紙全体にわたって発生するわけではありません。

紙の負電荷はPVCの正電荷に近いため、両者の間には引力が生じます。また、PVCの正電荷と紙の正電荷の間には斥力が生じます。しかし、紙の正電荷は負電荷よりも遠いため、紙とPVCの間の斥力は、正電荷と負電荷の間の引力よりも小さくなります。

最終的に、この誘導双極子によって、帯電物体が中性物体を引き寄せるという現象が起こります。これはファンデルワールス力と似ていますが、2つの分子の間に作用し、両方の分子が中性であるという点が異なります。誘導双極子は、もう一方の分子の正電荷と負電荷の配置がわずかに（そして非常に短時間）変化することで発生します。非常に小さな効果ですが、確かに存在します。ヤモリに聞いてみてください。

超小型航空機がこのように地面に着陸し、自重よりもはるかに重いものを引っ張ることができるのです。すごいですね。

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