スタンフォード大学の技術者、「鳥の脚」を持つドローンを開発 ― 枝に止まり物を運べる
同じ形の枝は世界に二つとありません。太さや形、表面の質感はさまざまで、濡れていたり、苔や新芽に覆われていたりすることもあります。それでも鳥はほぼどの枝にも止まることができます。
この能力は、現在オランダのフローニンゲン大学で研究を行っている、スタンフォード大学のマーク・カトコスキ氏とデイビッド・レンティンク氏の技術者の研究室で大きな関心を集めました。二人はいずれも、動物の能力に着想を得た技術をすでに開発してきました。
「鳥が飛び、表面に止まる動きを再現するのは容易ではありません。何百万年もの進化を経て、鳥は森にある複雑で多様な木の枝にも、非常に軽やかに離着陸できるようになりました」
カトコスキ氏の研究室での動物に着想を得たロボットと、レンティンク氏の研究室での鳥に着想を得た飛行ロボットの研究を経て、研究者らは独自の鳥型ドローンを開発しました。その詳細はScience Robotics誌の論文で説明されています。「脚」をクアッドコプターに取り付けると、その「定型的な空中把持」、すなわちSNAGにより、飛行し、物を掴んで運び、さまざまな表面に止まれるロボットが実現します。
研究者らはこの技術の汎用性の高さを示すため、鳥の脚の指の配置の違いを比較したり、オレゴン州の人里離れた森林でミクロ気候を測定したりするために活用しました。
以前のオウムの研究では、小さな鳥が専用の止まり木の間を往復飛行し、5台の高速カメラで撮影されました。木、発泡材、紙やすり、テフロンなど、さまざまなサイズと素材の止まり木には、鳥の着地、止まり、離陸に伴う物理的な力を捉えるセンサーも取り付けられていました。
「驚いたのは、鳥が着地する表面に関係なく、同じ空中の動きを行っていたことです。脚によって、表面の質感そのものの変化や複雑さに対応しているのです」
この決まった着地動作は、どの鳥にも見られるものであり、SNAGの「S」が「定型的（Stereotypic）」を意味する理由です。オウムと同様に、SNAGはどの止まり場所にも同じように対応します。ただし、クアッドコプターのサイズに合わせるため、SNAGはハヤブサ（ハヤブサ科の猛禽類）の脚をモデルにしています。骨の代わりに3Dプリンターで造形された構造を持ち、その完成までに20回の試作が必要でした。また、筋肉や腱の代わりにモーターと釣り糸を使用しています。
各脚には前後に動かすためのモーターがあり、さらに掴むためのモーターが一つあります。鳥の足首の周りを腱が通る仕組みに着想を得た同様の機構が、ロボットの脚で着地時の衝撃エネルギーを吸収し、受動的に掴む力へと変換します。その結果、ロボットは特に強靭で高速なクラッチを備え、20ミリ秒で作動します。枝を掴んだ後、SNAGの足首のロックと右脚の加速度計が着地を検知し、ロボットを安定させるバランス制御アルゴリズムを起動します。
新型コロナウイルスのパンデミック中、ロデリック氏は3Dプリンターを含む機材をスタンフォードのレンティンク氏の研究室からオレゴン州の田舎へ運び、管理された試験を行うための地下室の研究室を設けました。そこでSNAGをレールシステムに乗せ、さまざまな表面上を一定の速度と向きで走らせ、さまざまな状況での動作を確認しました。
SNAGを設置した後、ロデリック氏は、手で投げられた物体を掴めることも確認しました。これには、標的用のダミー人形、トウモロコシの袋、テニスボールが含まれます。最後に、ロデリック氏とSNAGは近くの森で実際の環境での数回の試験飛行に挑みました。
全体として、SNAGは非常に良好に機能したため、今後の開発は、着地前の段階、例えばロボットの状況認識や飛行制御の改善に重点が置かれる可能性が高いです。
この ロボット装置には、捜索救助活動や山火事の監視など、数多くの応用の可能性があります。ドローン以外の技術と組み合わせて使用することもできます。SNAGは鳥に近い存在であるため、鳥類の生物学について独自の知見を得ることができます。
例えば、研究者らは2種類の足指の配置でロボットを制御しました。一つは、ハヤブサのように前に三本、後ろに一本の指を持つ異節足型（アニソダクティル）、もう一つは、オウムのように前に二本、後ろに二本の指を持つ対趾足型（ジゴダクティル）です。驚いたことに、両者の性能差は非常にわずかであることがわかりました。
両親がともに生物学者であるロデリック氏にとって、SNAGの最も興味深い応用の一つは環境調査です。この目的のため、研究者らはロボットに温度と湿度のセンサーも取り付け、ロデリック氏はそれを使ってオレゴンのミクロ気候を記録しました。
「この研究の主な動機の一部は、自然界を研究するために使えるツールを作ることにありました。鳥のように動けるロボットがあれば、環境を調べる全く新しい方法が開けるでしょう」
論文の筆頭著者であるレンティンク氏は、数年にわたるこのプロジェクトにおけるロデリック氏の粘り強さを高く評価しました。
「実は、6年前にバークレーの複数の生態学者と話し合い、その後NSFフェローシップのために空中ロボットによる環境監視の配置に関する研究を書いたウィルが、この研究の端緒を開きました。ウィルの研究は時宜を得たものでした。熱帯雨林の生物多様性監視というこの課題に対して、XPRIZEが1000万ドルを拠出したからです」
