賢い新型ロボット「筋肉」が本気で持ち上げる

ああ、かわいそうなヒューマノイドロボットたち。何十年も開発が続けられたにもかかわらず、いまだに疾走感あふれるターミネーターというよりは…鎮静剤を服用した80代の老人といったところか。ロボットは人間に似ているかもしれないが、体つきは人間とは違う。関節に内蔵された電動モーターがぎくしゃくした動きを駆動しているのに対し、人間は筋肉によってより精密に体を制御している。まあ、鎮静剤を服用しているなら話は別だが。

しかし、ソフトロボティクスと呼ばれる急成長中の分野は、機械にもっと「自然な」動きをもたらす可能性を秘めています。そして本日、『Science』誌と『Science Robotics』誌に掲載された2本の論文では、巧妙な新種のロボット「筋肉」が詳しく紹介されています。これは、電気で駆動する油を燃料とする袋状の部品です。このアクチュエーター（ロボットを動かす部分）は、人間の筋肉と同等の強度と効率を持ちながら、1秒あたりの収縮回数がより多くなります。これにより、より自然な動きをする義肢が実現するかもしれません。あるいは将来的には、家の中で人命を奪うことなく、柔らかくも頑丈なロボットが実現するかもしれません。

この新しいタイプのロボット筋肉は、「油圧増幅型自己修復静電アクチュエータ」、または「ハゼル」と呼ばれます。このアクチュエータにはいくつかの設計があり、後ほど詳しく説明します。一般的には、このアクチュエータはオイルで満たされた袋状の構造を採用しており、その両側には電極が配置されています。この電極に電圧をかけると電界が発生します。

「静電力を使って液体を移動させ、電極を近づけて液体を袋の別の部分に送り込むのです」と、コロラド大学ボルダー校ケプリンガー研究グループの機械エンジニアであり、サイエンス・ロボティクス誌に掲載された論文の筆頭著者であるニコラス・ケラリス氏は語る。つまり、ハゼルアクチュエータが内側に押し込まれるのだ。「これが圧力と動きを生み出し、構造を変形させて作動させるのです。」

他にも圧縮空気や液体を使って動くソフトアクチュエータは存在しますが、これらは液体を保持するためにかさばる外部リザーバーを必要とします。一方、Haselアクチュエータは、フレキシブルポーチ内に既に入っているオイル（具体的には変圧器油）を活用します。これにより、リザーバーから長いチューブを通って液体を移動させる必要がないため、アクチュエータの動作速度が大幅に向上します。

例えば、研究者たちは、作動時にドーナツ型の形状になる円形のハゼルアクチュエータを開発しました。「この場合、アクチュエータの一部に電界をかけることで、いわゆる不活性領域に液体を押し出しました」と、コロラド大学ボルダー校の機械工学者であり、Science誌掲載論文の筆頭著者であるエリック・エイカム氏は述べています。これにより、中央の油が縁の周りのリング状に押し出され、アクチュエータが厚くなります。つまり、ドーナツ型の形状です。このアクチュエータを複数個、2つのグループに積み重ね、それぞれを「指」とすることで、厚みのあるスタックを積み重ねることで、ラズベリーを爆発させずに非常に繊細に掴むことができます。（この記事の冒頭の写真をご覧ください。）

あるいは、ロボットの筋肉で何かを持ち上げたいとしましょう。そのためには、水平に走る3本の袋状の部分で構成された長方形のアクチュエータが必要です。これらの袋にはそれぞれ、上半分に電極が付いています。電極に電圧をかけると、電極が一緒になって袋のもう半分に油を絞り出し、円筒形に近い形状になります。これにより長方形のアクチュエータ全体の長さが短くなり、底部に取り付けられた重りを持ち上げることができるようになります。（実は、自宅でも試すことができます。ジップロックバッグを用意し、少し空気を入れます。平らに置いて片側を押すと、反対側が手前に引っ張られるのがわかります。）研究者たちは、これらのアクチュエータを積み重ねて、さらに強度を高めることもできます。

ヘイゼルアクチュエータは、驚くほどの強度と精度で持ち上げたり掴んだりすることができます。しかし、課題は電力です。電気は穏やかな力ではなく、特にソフトロボティクスで使用される比較的繊細な材料を制御するために使用する場合はなおさらです。別の種類のソフトアクチュエータは、ヘイゼルと同じ原理で動作し、対向する電極を使ってゴム片を圧迫します。しかし、このアクチュエータは電気ショートを引き起こす可能性があり、小さな雷がゴムを貫通して壊滅的な故障につながる可能性があります。

そこでオイルはハセルアクチュエーターの一種のシールドとして機能します。「オイルは液体を通過しますが、その直後に液体は再分配され、再び絶縁体となり、デバイスは動作を継続できます」と、コロラド大学ボルダー校のティム・モリッシー氏は述べています。つまり、破裂する代わりに動作を続けることができるのです。

ハゼルの真の魅力は、従来のアクチュエータ（非常に複雑な電動モーターとギアボックスを組み合わせたもの）に比べて、その相対的なシンプルさにあります。「この研究は、様々な受動型および能動型のソフトマテリアルを組み合わせて新しいアクチュエータシステムを構築する興味深い方法を探求する、他の研究者への刺激となるでしょう」と、ハーバード大学のバイオエンジニア、コナー・ウォルシュ氏は述べています。

それでも、ソフトロボットは従来のロボットよりもはるかに繊細なため、設計者は穴を開けたり、電源を失くしたりしないか（そして変圧器油を床にこぼしたりしないか）を心配しなければなりません。そのため、ソフトロボットが人間の生活の中で働くようになるには、自己修復機能を持つ皮膚が必要になります。実際、一部のソフトロボットは既に自己修復機能を備えています。Haselアクチュエータの開発チームは、自社のロボットに同様のパワーを持たせることに取り組んでいます。

優れた堅牢性を備えたソフトロボットは、あらゆる形で私たちの生活に浸透していくでしょう。従来の義手の硬直性は、より柔らかく、より敏感な手足に取って代わられるかもしれません。ロボットを柔らかくすることで、私たちはより安全にロボットと共に働くことができるようになります。つまり、ロボットは人間の仕事を奪うだけでなく、人間の労働を補完するようになるのです。そして必然的に、ソフトロボットは私たちの相棒となるでしょう。プラトニックな関係であろうとなかろうと。