戦いに来てください！ベイマックスのマイクロロボットが現実に。3Dプリントされた多肢群ロボットは障害物を簡単に越えられる

この投稿は warrior bear によって 2021-10-19 22:21 に最後に編集されました。

紹介：アニメ「ベイマックス」では、発明が大好きな天才少年ヒロが、操作者の指示に従って集団で行動し、意のままにさまざまな形に変化できる魔法の小型磁気ロボットを発明しました。しかし、現実には科学者たちがそれを一歩ずつ実現させていることを想像することはできないでしょう。
△『ベイマックス』に登場するマイクロロボット
2021年10月19日、アンタークティックベアは、ノートルダム大学の研究者が、複雑な地形を横断し、進路上の障害物を乗り越えることができる4本足の群ロボットを3Dプリントすることに成功したことを知りました。ノートルダム大学のロボット工学者で電気工学助教授のヤセミン・オズカン・アイディン氏は、アリ、ハチ、鳥の集団行動を模倣するロボットを使って問題の解決に取り組んでいます。
この研究では、個々のロボット間の物理的な接続を確立することで、地上脚の集合システムの移動性と能力がどのように向上するかを探ります。たとえば、1 台のロボットが克服できない障害に遭遇した場合、他のロボットが協力して問題を共同で解決します。
「脚付きロボットは、起伏の多い地形や狭い空間などの困難な環境でも移動でき、手足を使うことで体を効果的に支え、素早い操縦が可能になり、障害物を乗り越えやすくなります」と彼女は言う。「しかし、脚付きロボットは地上環境では移動に特有の課題に直面し、その結果、移動性能が低下します。」
△3Dプリントされた四足群ロボット。画像はノートルダム大学より。
自然にインスピレーションを受けた群ロボット<br /> 研究者たちは、自然界や生物相の行動からインスピレーションを得て、さまざまな用途の空中ロボットや水中ロボットを開発する傾向が高まっています。しかし、複雑な地形を移動し、障害物を乗り越える能力を備えたロボットを開発することは困難です。
特に、アリのコロニー、鳥の群れ、魚の群れなど、動物界における自己組織化集団の行動をマッピングし、模倣しようとする研究者もいます。この自然な集合知を再現しようとする試みにもかかわらず、彼らの群ロボットは自己組織化ではなく、遠隔操作または GPS 誘導される傾向があります。
2014 年には、CoCoRo (Collective Cognitive Robots) プロジェクトの一環として、海洋環境向けの群ロボットを作成するために 3D プリントが使用されました。このプロジェクトにはヨーロッパの 5 つの大学が参加し、最終的には複雑なタスクを連携して実行できる 40 台の 3D プリント小型潜水艦ロボットが誕生しました。
最近、ハーバード大学の研究チームがこの分野をさらに一歩進め、Wi-FiやGPSの助けを借りずに複雑なパターンで泳ぐことができる柔らかいロボット魚の群れを3Dプリントすることに成功しました。これらのロボットの自己組織化能力により、人間がアクセスできない海洋環境での生態学的監視に配備することが可能になる可能性がある。
現在、地上ロボットの群れは比較的単純な環境に限られているが、これは困難な地形に対応できる移動能力が不足していることが一因だとオズカン・アイディン氏は言う。そこで彼女は、2020 年の初めに、動物のコロニーや群れの自己組織化行動を再現して群ロボットの能力を向上させるための研究と実験を始めました。
△ハーバード大学の科学者が開発したバイオニック魚型ロボットには、水中での移動を助けるカメラと青色 LED が搭載されています。写真提供：自己組織化システム研究グループ。
3Dプリントされた群ロボット
オズカン・アイディン氏の研究は、個々のロボット間の物理的な接続によってシステム全体の移動性と能力が向上するという前提に基づいています。基本的に、物体を運ぶなど、特定のタスクが単一のロボットの能力を超える場合、ロボットは物理的に相互に接続して、共同で重量を運ぶより大きな多脚システムを形成します。
「アリが物を収集したり運んだりしているとき、1匹のアリが障害物に遭遇すると、群れはそれを克服するために集団で行動します」とオズカン・アイディン氏は説明する。「たとえば、道に隙間があれば、他のアリが渡れるように橋を架けます。これがこの研究の着想の元です。ロボット工学を通じて、こうした生物システムのダイナミクスと集団行動をより深く理解し、将来この技術をどのように活用できるかを探ることができます。」
オズカン・アイディン氏はロボット群を作成するために、3Dプリンターを使用して、長さ15〜20センチメートルの低コストの4本足ロボットを製造した。各ロボットにはリチウムポリマー電池、マイクロコントローラー、3 つのセンサーが搭載されています。前面の光センサーに加えて、各ロボットには前面と背面に 2 つの磁気タッチセンサーがあり、群れ内の他のロボットと接続することができます。
オズカン・アイディン氏によると、各ロボットは3Dプリントされており、4本の柔軟な脚を備えているため、ロボットにはある程度の「機械的知能」が与えられ、追加のセンサーの必要性が軽減されるという。
「ロボットの脚の柔軟性により障害物を簡単に乗り越えることができるため、障害物を検知するための追加のセンサーは必要ありません」と彼女は言う。「ロボットは進路上の隙間をテストし、体を使って橋を架けたり、物体を個別に移動したり、さまざまな環境で連携して物体をまとめて移動したりすることができます。」
群ロボットのテスト<br /> 各ロボットを 3D プリントした後、オズカンアイディン氏は、草、根覆い、毛足の長いカーペットなどの地形でのロボットの能力や、葉やどんぐりなどの障害物を乗り越える能力をテストしました。彼女はパーティクルボードの上でロボットの能力を平らな地面でテストし、起伏のある地形をシミュレートするために断熱フォームと木のブロックで階段も作りました。
個々のロボットが障害物に引っかかると、群れ内の他のロボットに信号が送信されます。これらは磁気タッチセンサーを介してリンクされ、サポートを提供し、障害物や地形をうまく乗り越えます。
オズカン・アイディン氏は、群れの設計にはまだ改善の余地があると認めつつも、この研究が、予期せぬ状況に適応できる低コストの脚付きロボットの群れの設計に役立つと信じている。彼女は、自身の研究が、捜索救助活動、物体の輸送、環境監視、さらには宇宙探査といった現実世界のタスクを実行できる群ロボットの開発に貢献することを期待しています。
今後、オズカイ・アイディン氏は、アリやシロアリなどの昆虫の集団ダイナミクスをさらに探究することで、群ロボットシステムの制御、感知、電力機能の向上に研究の焦点を当てる予定です。ロボット内部のバッテリー技術を改良しながら、将来的には小型サイズを維持しながら、より多くのセンサーとより強力なモーターを組み込むことを検討する予定だ。
「機能的な群集システムには、バッテリー技術の向上が必要です」と彼女は言う。「より多くのエネルギーを供給できる、理想的には 10 時間以上持続する小型バッテリーが必要です。そうでなければ、この種のシステムを現実世界で使用することは持続可能ではありません。ロボットが現実世界でどのように動作するかを考える必要があるため、必要な電力量と使用するバッテリーのサイズを考慮する必要があります。すべてには限界があるため、マシンのあらゆる部分について決定を下す必要があります。」
この研究に関する詳細は、サイエンス・ロボティクス誌に掲載された「自己再構成可能な多脚ロボットの群れが、困難な地球動力学タスクを集団で達成する」という論文に記載されています。この研究は、Y. Ozkan-Aydin 氏と D. Goldman 氏が共同執筆した。

関連論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf1628

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