[いいね] 北京航空航天チームが3Dプリントを使用してバイオニックコバンザメの柔らかい吸盤ロボットを作成するのに4年かかりました

▲サイエンスロボティクス論文の表紙とスクリーンショット<br /> 色彩豊かな自然は常に人類に無限のインスピレーションを与え、多くの科学的、技術的な発明を生み出してきました。人間が生物の持つ特殊な能力を模倣し、生物の構造や機能原理を利用して機械やさまざまな新技術を開発する。これがバイオニクスです。現在、北京航空航天大学で新たな素晴らしいバイオニクスの成果が誕生しました。

9月21日、トップの国際誌「サイエンス」のロボット工学サブジャーナル「サイエンス・ロボティクス」は、北京航空航天大学のウェン・リー准教授が率いる科学研究チームがハーバード大学と共同で行ったバイオニックコバンザメのソフト吸盤ロボットの最新研究成果に関する長文の表紙記事を掲載した。北京航空航天大学は、この論文の最初の単位であり、対応する単位です。これは私の国が『サイエンス・ロボティクス』誌に発表した最初の論文でもあります。この雑誌は写真、文章、マルチメディアを通じてこの研究を正式に詳細に紹介した。

一枚の写真からインスピレーションを得て、3つの大きな困難を克服するのに4年かかりました...ウェン・リーは小さなロボットを手のひらに乗せ、素晴らしい科学研究の物語を語りました。

好奇心は写真から始まる

人々はしばしば創造主の魔法に驚嘆します。広大な海には、細長い体を持つ魚がいます。長い進化の過程で、その第一背びれは吸盤になり、船底やサメ、エイ、クジラなどの大型魚にくっついて遠くまで移動し、餌を探します。これは「ヒッチハイク」と呼ばれています。大型の海水魚の写真では、しっかりとしがみついているコバンザメがよく見られます。

▲海中のコバンザメ（インターネットからの画像）
この写真を見た当時、ウェン・リーは3Dプリントされたサメの皮膚の研究を行っていました。彼の目はすぐにサメの上の奇妙な小魚に引きつけられた。

「この『フリーライド』行動の最大の利点は、運動時に消費されるエネルギーを効果的に削減できることです。」バイオニックソフトロボットの研究に携わってきたウェン・リー氏は、これにすぐに興味を持ち、漠然とそこに大きな応用の余地があると感じたと回想する。彼はすぐにグーグルでコバンザメの吸着メカニズムとバイオニック応用に関する研究を検索し、「基本的に研究はない」ことを知った。時は2013年。

古代ギリシャ時代にはすでに、哲学者アリストテレスは著作の中でヤモリの這う現象を記録していました。現在、科学者たちは、ヤモリの足が垂直面に非常に強力に接着するのは分子間のファンデルワールス力によるものだということを発見し、多くのバイオニック応用を生み出しており、研究は比較的徹底している。しかし、ファンデルワールス力の効果は水中では限られています。水生生物はどのようにして超強力な吸着力を実現しているのでしょうか? 「水中ヤモリ」コバンザメの吸盤はどのように機能し、人間の生産や生活にどのように応用できるのでしょうか。ウェン・リーは真実を明らかにしようと決心した。

そこで、ウェン・リー氏のチームは、中国福建省と南シナ海地域からコバンザメを数束購入し、慎重に空輸して北京に持ち帰った。研究室では人工的に海水環境を作り、一連の観測・研究設備を設置した。また、輸送中に死亡した魚についても徹底的な解剖・分析を行い、コバンザメの体構造を明らかにした。そこで、チームはバイオニックロボットの製作に投資することを決定し、本当の挑戦が始まりました。

「三大難関」を徐々に克服

バイオニックロボットの開発プロセスについて話すには、数え切れないほどの眠れない夜を要しましたが、今日ではそれについて話すのは朝飯前のことのように思えます。ウェン・リー氏は、チームが「3つの大きな困難」に次々と遭遇したが、それは現在のプロトタイプ製品の3つの中核技術でもあると述べた。

コバンザメの頭部にある吸盤の構造は非常に繊細かつ複雑なため、生物学者はこれを「脊椎動物の解剖学上最も驚くべき構造の一つ」と呼んでいます。研究チームが最初に遭遇した困難は、吸盤の製造でした。

研究チームはこれまで、走査型電子顕微鏡、マイクロCT、高速カメラ同期動作追跡などの生物学的測定方法を使用して、コバンザメのマクロおよびミクロ規模の構造と動作パターンを取得しました。研究者らは、コバンザメの頭部の吸盤が主に3つの部分で構成されていることを発見した。吸盤の周囲の唇環は柔軟な筋原線維で構成され、主に負圧を生み出す。吸盤内部の硬いひれ構造は厚さ約500ミクロンの軟組織で覆われており、筋肉で動かして正常な微小運動を生み出すことができる。ひれの上にある円錐形のとげ構造は底部の直径が約200ミクロン、上部の直径が1～5ミクロンである。

このデータを使って、吸盤モデルをどのように作るのでしょうか?ウェンリさんはすぐに3Dプリント技術を使うことを考えたが、吸盤は繊細な構造で、硬さと柔らかさを兼ね備えており、従来の単一素材の3Dプリントでは実現できなかった。

「硬い構造と柔らかい構造を単純につなぎ合わせると、応力の強度が高いときにすぐに疲労して壊れてしまいます」とウェン・リー氏は述べた。研究チームはさまざまな脊椎動物の体の接続構造を参考にし、約1年かけてようやく技術的な困難を克服し、複合マルチマテリアル3Dプリントを使用して統合プロトタイプの形成を実現した。吸盤試作素材の硬さは段階的に3桁（人間の皮膚から骨までの硬さの変化に相当）に渡っており、この技術は国家発明特許も申請中。それにもかかわらず、研究チームはコバンザメの実際の比率を参考にして、柔らかい唇のリングを適度に広げ、試作品がより強い吸着力を生み出せるようにしました。

▲バイオニックソフトコバンザメ吸盤と生物学的吸盤の比較（Science/AAAS Multimedia Newsのスクリーンショット）
2 番目の課題は、ひれの繊細な円錐状の棘を再現することです。研究チームは形態学的測定を通じて、コバンザメの吸盤にこのような小さな棘が約2,000本あることを発見した。この構造は具体的に何をするのでしょうか?継続的な観察と探索を通じて、彼らはついに謎を発見しました。

コバンザメの吸盤にある小さな棘は、吸着力の強さを自由に調整できることが判明しました。一般的に、吸盤を物体の表面に取り付けると、大きな垂直力が発生しますが、接線力は大きくありません。小さなトゲはリラックスした状態だと吸着力が小さく、比較的簡単に抜け落ちます。小さなトゲが吸着面に接触すると、同時に大きな接線摩擦力が発生し、物体の表面にしっかりと吸着します。この調節機構について、ウェン・リー氏は次のように述べている。「筋肉の動きはエネルギーを消費します。脊柱を動かす筋肉が弛緩すると、エネルギー消費は大幅に減少します。これは生物の知的な調節機能です。」

そこで疑問になるのが、どの素材が軽くて強く、フィンにしっかりと埋め込むことができるのかということです。研究と比較を繰り返した結果、Wenli はカーボンファイバーを選択しました。しかし、この材料を小さな構造に加工するのは簡単ではありません。そこで研究グループはハーバード大学のロバート・ウッド研究所と協力し、研究所の高精度レーザー加工3Dプリント技術の助けを借りて、数か月にわたって設計計画を継続的に修正し、最終的に実際のコバンザメの構造とサイズと形状が非常に類似した硬い棘を作成し、それを複合材料のプロトタイプのひれに埋め込みました。

▲バイオニックロボットの吸盤にある小さなトゲ構造（写真提供：ウェン・リー）
プロトタイプは完成しており、残っている唯一の問題は、ロボットをどうやって動かすかということです。従来のモーターの重量/出力比は生物のそれよりもはるかに低く、このような小さなひれ構造の動きを駆動するのには適していません。この目的のために、研究チームは軽量で防水性のある繊維強化ソフトリニアアクチュエータを製作し、約150ミクロンの振幅でコバンザメの吸盤内部のひれの微小な動きを実現しました。

「これら3つの主要技術により、ロボットのプロトタイプが本物のコバンザメのように物体の表面にしっかりと密着し、内部のヒレの積極的な持ち上げ動作によって摩擦を大幅に増加させることに成功しました。」ウェン・リーウー氏は感慨深げにこう語った。「これ以前には、4年間コバンザメプロジェクトに関する学術論文を1つも発表していませんでした。」

バイオニクスには有望な未来がある

コバンザメ吸盤のバイオニック応用の展望は、主に2つの側面に反映されています。1つは、吸着により水中で効果的に電力を節約できること、もう1つは、吸着力の大きさを自動的に調整できることです。

文立氏は、その超強力な吸着力のため、昔の漁師はコバンザメの尾に釣り糸を結び付けてウミガメを捕まえていたと紹介した。現在、研究チームは、滑らかな表面では自重の約340倍、粗い表面では自重の約100倍に相当する吸着力を発生できるバイオニックコバンザメ型ソフト吸盤ロボットの試作品を製作した。同時に、研究チームは、吸盤内部のフィンの能動的な持ち上げ運動により、吸盤と吸着面の間の摩擦が大幅に増加し、フィン上の硬いトゲと柔らかい組織の相乗効果により、吸盤が異なる粗さの表面に適応できることを初めて明らかにした。

「バイオニックプロトタイプを水中ロボットに統合することで、コバンザメと同様の遊泳・吸着・離脱を実現できます。この研究は、コバンザメの吸着メカニズムを生体力学的観点から明らかにするだけでなく、将来の低電力水中バイオニックソフトロボットや水中吸着装置に新たなアイデアを提供します。」ウェン・リー氏は、生物のメカニズムに基づいて、このロボットはかなりの吸着力を持っているが、吸着面に損傷を与えることはないと述べた。このアプリケーションは、国防科学技術、水中救助、海洋生態探知など、軍事と民間の両方の分野で優れた応用見通しがあり、重要な役割を果たすことができます。

▲文力和バイオニックレモラソフト吸盤ロボット<br /> 実は、ウェン・リー氏が率いる研究チームが優れたバイオニックロボットを開発したのは今回が初めてではない。今年3月、北京航空航天大学のITRソフトロボット研究室が世界的に有名なロボット・自動化企業FESTOと協力して開発した「柔らかいタコ触手ロボット」が発表され、ハノーバー産業見本市でドイツのメルケル首相の好評を得た。プロジェクトリーダーも Wen Li 氏です。このロボットは、さまざまな形状やサイズの物体を安全に、非破壊的に、強力に掴むことができ、剛性ロボットの固有の欠陥の一部を克服します。柔らかいタコの触手のいくつかの重要な技術が、コバンザメのバイオニックソフトロボットの加工においても重要な役割を果たしていることは言及する価値がある。

学術成果の達成はチームの共同努力と切り離せない、とウェン・リー氏は語った。彼の大学院生で、北京航空航天大学機械工学学院の2015年度修士課程修了者のワン・ユエピン氏、ポスドク研究員のヤン・シンバン氏、ハーバード大学のユフェン・チェン博士が本論文の共同筆頭著者である。 BUAA 材料科学工学部の Guan Juan 准教授と化学学部の Liu Huan 教授は、研究のために材料の動的性能測定と表面微細構造に関するデータを提供しました。ハーバード大学 Lauder 研究所の Dylan Wainwright 氏と Chris Kanaley 氏は、コバンザメの吸盤の断層撮影データを提供しました。ハーバード大学 Robert Wood 研究所は、マイクロレーザー加工された炭素繊維の棘を製作しました。BUAA 機械工学部の Wang Tianmiao 教授は、プロジェクトのデモンストレーションに参加し、貴重な提案を行いました。

「北航大学が提供する質の高い科学研究環境とプラットフォームのおかげで、私たちは継続的に飛躍的な進歩を遂げることができました。今回、私たちの研究成果がサイエンス誌の表紙を飾ったのは、私たちの現在の研究が段階的に認められたということでもあります。」ウェン・リー氏は、研究チームは今後も努力を続け、今後も道のりは長いと述べた。同時に、彼は北航大学がさらに重量級の科学研究成果を生み出すと信じている。

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出典：北京航空航天大学ニュースネットワーク

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