キリンの首の力と柔軟性が、日本の新型ロボット開発のヒントに

ロボットの柔軟性と聞くと、多くの場合、タコの触手や象の鼻を模したソフトロボットが思い浮かびます。これらは独自の能力を持っています。しかし、ほとんどの動物も、ある程度は柔らかく柔軟であり、多くの場合、硬い内部構造と組み合わさっています。 

これは複雑なシステムですが、出力や制御の面で大きな利点もあります。東京工業大学の研究者らは、動物界で最も印象的な柔軟性と力の組み合わせの一つといえる、キリンの首の模倣を試みました。 

現時点の研究は探索的な段階にあり、本物の動物の解剖学を機械に移す方法を見つけることが目的です。それでもロボットの首は、手本となった動物のように動くことができ、加えられた力（技術者の手による力）に適応することもできます。このプロトタイプは、生きたキリンができることには遠く及びませんが、技術者らは柔軟性と耐久性を高めていく計画です。

「キリンの首は、大型のロボット機構を設計するうえで優れた代替案となりうる素晴らしい特性を備えています。例えば、キリン同士が首で殴り合う際には、首を素早く動かすことができます。さらに、キリンの首は衝撃を防ぐのに役立ち、相手の首の形状や硬さに適応します。対照的に、従来のロボット機構は、このような力と柔軟性の特性を実現する能力に限界があります。すなわち、強力でありながら衝撃に耐え、相手に対して運動学的および動力学的に適応できることが求められます」と研究には記されています。 

キリンの首は最大150キログラムに達することがあり、長さは2メートルに及びます。進化の過程で首が柔軟かつ強靭になったのは、高い位置にある美味しい葉を食べるためだけでなく、オスのキリンが首を使って互いに争い、時には死に至ることもあるからです。大型ロボットを開発するうえで、これ以上の発想源はないでしょう。そうですよね？

強力で柔軟なロボットを作る第一歩として、研究者らは、解剖学的知見に基づいてキリンの首の構造と機構を模倣した、半スケールの骨格筋ロボットを製作し、その特性の一部を再現しました。

この装置は、3Dプリンターで製作された骨格機構、ゴム素材とテンショナーを用いて後頭靭帯を模倣した重力補償機構、細い人工筋肉を用いた冗長な筋肉制御システム、そしてゴム製のディスクと模倣靭帯を用いた特殊な関節で構成されています。

ロボットのキリンの首は、本物のキリンの首の構造を、同様の椎骨と腱の配置によって忠実に再現しようとしています。また、本物の筋肉と同じように収縮力を生み出す、細いマッケンゼン型空気圧人工筋肉を使用しています。これは複雑ですが、大きな柔軟性を実現します。

論文の著者らは、キリンが首の力と柔軟性を使い、互いに接触する際に破壊的でない形で用いることができる一方、従来の機械システムにはそれができないと指摘しています。

これまで研究者らは、キリンの首と同等の力と柔軟性を備えた機械やロボットを開発できていません。例えば、実際の産業用クレーン2台が争ったとすれば、被害は壊滅的になり、2台とも壊れてしまうことは容易に想像できます。これに対して、本物のキリンの首はより破壊性が低く、奇妙なことも起こしません。

いずれにせよ研究者らは、力、柔軟性、制御を実用的に組み合わせたロボットシステムの開発は、象の鼻のモデルよりもキリンの首のモデルの方が容易だと考えています。柔らかさや柔軟性はある程度犠牲にしても、産業用途で必要な力を発揮できるように機能させることは可能だとしています。

このロボットの名前は「キリンの首ロボット No.1」です。あまり独創的ではありませんが、今後も他のロボットが続くことを示唆しています。どうやら次のステップは、空気圧ではなく油圧アクチュエーターを使うことで、出力を桁違いに高めることのようです。

「この研究は、キリンの首の優れた特性をロボット機構の開発に応用することを目指しています。具体的には、ロボット工学者と動物解剖学者が協力し、キリンの首の解剖学に基づいた、強力で柔軟な長い骨格筋ロボットを開発しました。この骨格筋ロボットのプロトタイプは、容易に曲がる細いマッケンゼン型空気圧人工筋肉によって駆動されます。結果は、筋肉と靭帯の協調、および外力に対する形状の適応性を裏付けるものです」と研究者らは述べています。 

実験結果は、研究者らがキリンのような力と柔軟性を発揮できる機構のロボット版を実現できたことを示しています。進化は最良の工学的解決策を40億年かけて作り出してきたのですから、研究者にできることは、自分たちの課題の解決策を自然界に求めることだけなのです。