ロボットマグロが示す、より機動的で効率的な水中ロボットとドローンへの道
水中を泳げるロボットは新しいものではありません。例えば2021年初頭、カーネギーメロン大学は有名なヘビ型ロボットにタービンとスラスターを取り付け、水上スポーツをさせられるようにしました。しかし、本物の魚のような優雅さ、速さ、軽やかさでそれを実現できたものはほとんどありません。科学者たちがまさにそれを可能にするロボットを作ろうとしなかったわけではありません。
水中ロボットは、沈没船から新種の生物まで、深海の対象を調査するのに役立ちます。しかし、いくつかの制限もあります。例えば、一定の速度でしか動けない傾向があり、オペレーターはたいてい目的の場所の近くで水中に投入しなければなりません。ダイバー用の推進装置、主に水中スクーターは高速ですが、より詳しい調査が必要な対象に近づくことはできません。
本当に必要なのは、遠方の場所まで水中を進み、その後減速してより綿密に調べられる水中ロボットです。しかし、それは一見したよりも難しいものです。
バージニア大学の研究者たちは、魚の尾の硬さを模倣することで、これらすべてをこなすロボット装置を作る方法を考案し、美しくシンプルな数学の公式も発見して応用しました。その結果、本物の魚とほぼ同じくらい巧みに加速・減速できるロボットが誕生しました。研究成果はScience Roboticsに掲載されました。
魚の謎が解けた
「尾の硬さが一定なのは、自転車のギアが一段しかないようなものです。一つの速度でしか効率よく走れません。サンフランシスコをシングルギアの自転車で走るようなもので、数ブロックも進まないうちに疲れ切ってしまうでしょう」
クインと共同研究者のチャン・チョンは、魚は頻繁に変わる速度の要求に応えるために尾の硬さを変えているのではないかと考えました。残念ながら、泳いでいる魚の尾の硬さを確認したり測定したりするのは困難なため、さまざまな速度で効率よく動くのに必要な硬さはわかっていませんでした。研究者たちは流体力学と生体力学を組み合わせ、答えを導き出せるモデルを開発しました。チョンによれば、これは「尾の硬さが泳ぎの効率にどう影響するのかという、長年の謎を解き明かすもの」です。
謎の解答は驚くほどエレガントなものでした。「驚きました。すべての数式から出てきた結果はシンプルでした。硬さは泳ぐ速度の二乗に比例して増加しなければならないのです」とクインは語ります。
マグロがテストに挑む
結論を検証するため、科学者たちはマグロに似た水中ロボットを製作しました。プログラム可能な人工腱を備えており、テスト用の水路を進む間、速度に応じて尾の硬さを調整できます。
「私たちのロボットは、尾の硬さが固定された同じロボットと比べて、ほぼ半分のエネルギーで、より広い速度域を泳げるようになりました。その改善は本当に素晴らしいものでした」
チョンは、彼らの学際的アプローチを評価しています。「理論的な分析に集中しただけでなく、硬さを調整するための実践的な指針も提示しました」。研究者たちが提案した可変剛性の戦略は、現実的な遊泳ミッションで有効であることが証明され、ロボットフィッシュは高速と高い遊泳効率を同時に実現しました。
調整可能なマグロで理論を実証した科学者たちは、オタマジャクシからイルカまでのサイズの水中ロボットに、この尾の技術を移植することに関心を持っています。現在、クインとチョンはエイをモデルにした波動型ロボットを開発中です。
「魚は広い速度域で高い遊泳効率を発揮します。その鍵は柔軟性ですが、性能の面では、柔軟なロボットフィッシュでさえ本物の魚には及びません。 私たちは、硬さの調整がどのように、そしてなぜ性能に影響するのかを説明するモデルを開発しました。最大効率を得るには、筋肉の張力が泳ぐ速度の二乗に比例してスケールする必要があることを示し、魚型ロボットのためのシンプルな調整戦略を提案します。硬さの調整により、マグロに似た周波数と速度（0〜6ヘルツ、体長毎秒0〜2倍）で遊泳効率を倍増できます。エネルギー節約効果は周波数とともに大きくなり、高周波の魚型ロボットが硬さの調整から最も恩恵を受けることを示しています」と研究論文は述べています。
「近いうちにプロジェクトが尽きることはないと思います。私たちが調べたすべての水生動物は、より優れた泳ぐロボットを作るための新しいアイデアを与えてくれました。そして海にはまだまだたくさんの魚がいます」
いつの日か、この研究はドローンのクラスを丸ごと生み出すかもしれません。遠方まで素早く移動し、そこで減速して周辺を調べられるドローンです。水中のヘビ型ロボットと同様に、米軍が艦船の損傷を点検するために使うこともあり得るでしょう。
