ハチのようなドローンは腹で重い荷物を持ち上げます

スズメバチといえば、ゴキブリを洗脳したり、地球上で最も痛い刺し傷の一つを与えたりする能力で知られているかもしれません。その刺し傷は非常に強力で、被害者にはただ横になって痛みが治まるまで叫ぶようにと科学的にアドバイスされています。あまり知られていないのは、スズメバチがその体の大きさからは想像できないほど重い荷物を運ぶ卓越した能力を持っていることです。

小型ドローン、いわゆる「マイクロ・エアビークル」は、自重と同等の重量しか持ち上げることができません。プテロダクティルスほどの大きさを必要とせずに巨大な物体を移動できる飛行ロボットを実現するためには、エンジニアは新たな持ち上げ方法を開発する必要があります。そこでドローン設計者は、スズメバチに着目し、環境そのものをロボット工学の秘密兵器として活用する独創的な方法を開発しています。

スズメバチは、飛び去るには大きすぎる獲物を刺して気絶させた場合、その獲物を引きずり去る。スズメバチは、足にある「アロリウム」と呼ばれる構造を使ってこれを行う。これは、地面にしっかりとつかまるのに役立つパッドである。足の爪と組み合わせることで、スズメバチは飛び去ることができない物体を巧みに操ることができる。つまり、スズメバチは自分の体重クラスをはるかに超える相手を殴ったり、刺したりできるのだ。

エンジニアたちはドローンにも同じことをさせようとしています。そこで、FlyCroTugsと呼ばれる新しいタイプのロボットが、この気骨のある飛行機からヒントを得ました。一見すると、手のひらに収まるごく普通のクアドローターのように見えます。しかし、秘密は腹部に隠されています。地上にいる間、あるバージョンはフックを使って凹凸に引っ掛かり、スズメバチの爪のように地面に固定します。また、別のバージョンはパッドを使って滑らかな表面に張り付きます。そして、小型のウインチを使って、自重の40倍もの重量のものを持ち上げたり引っ張ったりすることができます。

フックの物理的原理は至って単純で、昔ながらのアンカー構造でてこ作用を得る仕組みだ。「フックを隣り合わせに並べ、それぞれがそれぞれの突起を見つけ、互いに引っ張ることで、1つのフックよりも大きな力を生み出せるようにしたいのです」と、スタンフォード大学のロボット工学者マシュー・エストラーダ氏は述べている。彼は現在、Science Robotics誌でこれらの機械について解説している。

一方、パッドの物理的特性はより驚異的です。スズメバチの足ではなくヤモリの足にヒントを得たこの技術は、特に新しいものではありません。例えば、スタンフォード大学の研究者たちは既にこの技術を用いて、将来的には軌道上の宇宙ゴミを掴む可能性のあるグリッパーを設計しています。しかし、このパッドから生じる力は、FlyCroTugにヤモリのようなグリップ力と、昆虫のように持ち上げる能力を与えることも可能にします。

この仕組みは、いわゆるファンデルワールス力を利用している。ドローンの底部には、微細なシリコンの突起がぎっしり詰まった素材が使われている。滑らかな表面に接触して引っ張ると、突起が表面に沿って均一な方向に整列する（下のGIF画像を参照）。「突起は全て横たわり、押し付けられた対象物と非常に密接な接触を生み出す」とエストラーダ氏は言う。接触が非常に密接であるため、突起一つ一つに分子レベルで微小な引力が生じる。素材に非常に多くの突起が詰まっているため、これらの力が積み重なり、優れた接着力を生み出すのだ。

ヤモリが壁を登れるのも、フライクロタグが自重の40倍もの重さを持ち上げられるのも、この力のおかげです。ロボットが例えばテーブルの端などに静止している限り、ファンデルワールス力を利用して、自分よりもはるかに重い物体を巻き上げることができます。例えば、地面に置かれた水のボトルを持ち上げることも可能です。

もっと大きなものを持ち上げたいなら、これらの小型ロボットを複数台使うことができます。ドローンを単純に大型化してパワーアップさせるよりも、より効果的かもしれません。このアプローチなら、製造コストを削減できるだけでなく、必要に応じて狭い場所にも移動できるようになります。数があれば、かさばる必要はありません。

これまでの生物に着想を得たドローンとは異なり、FlyCroTugはハチを単なる飛行動物としてではなく、より大きなシステムとして捉えています。「飛行昆虫は、物を運ぶ時だけ飛ぶわけではありません」と、コウモリに着想を得たドローンを開発したカリフォルニア工科大学のロボット工学者、スンジョ・チョン氏は言います。彼らは、通常では運ぶには大きすぎる荷物も牽引します。「それがこの論文の非常に興味深い革新性と貢献です。」

つまり、地面やその他の環境特性を活用することで、新しいロボットの性能を向上できるということです。ほとんどのロボットは、周囲とあまり干渉することなく、地面を転がったり空中を飛んだりします。FlyCroTugsは根本的に異なります。環境そのものを活用してパワーを高めます。地面は単に移動するだけでなく、本格的なウインチ作業のためのツールとしても活用できるのです。

この新しい持ち上げ能力は、大きな物体を運ぶのに便利なだけではありません。2台のロボットが連携して、ドアを開けるといった複雑な操作もこなすことができます。1台目のドローンが車輪で所定の位置に移動し、バネ仕掛けのフックをドアの下に伸ばします。2台目のロボットのバネ仕掛けのフックがハンドルを引っ掛けます。そして、ドアに支えられた2台目のロボットがハンドルを引き下げ、1台目のロボットがドアを引っ張って開けます。

アイデアは、粘着ロボットのグループが、単体では困難なタスクをこなせるようにすることです。「各ロボットをチェス盤上の一手と考えてみてください」とエストラーダ氏は言います。「より器用なタスクを達成するために、どのようにして様々な方向に力を発揮させるのでしょうか？」複雑な機能を高度で高価なロボット1台に詰め込むのではなく、場合によっては複数のロボットを連携させることが解決策となるかもしれません。

あるいは将来的には、研究者らは、粗い素材をつかむためのフックと滑らかな素材をつかむためのパッドという 2 つの技術を、より幅広い表面で動作する単一のドローンに組み合わせることもできるかもしれない。

もちろん、毒針は抜きにして。その道は未踏のままにしておきましょう。

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