トヨタの研究者、昆虫サイズのドローンを開発
トヨタ中央研究所の研究者らは、無線高周波技術で動作する羽ばたき式の昆虫サイズの飛行ロボットを開発しました。このドローンはNature Electronicsの論文で説明されており、比出力4900 W/kgの高周波エネルギー受信機をベースにしています。
「小型ドローンは電源の制約から、一般的に稼働時間が非常に短いという問題があります。私たちの最近の研究の目的は、この制約を克服することでした。現在、電磁波を使った非接触給電は様々な製品で実用化されていますが、小型の飛行ロボットにどこまで応用できるかは分かっていませんでした」
尾崎氏らの研究の主な目的は、非接触のワイヤレス充電技術によって昆虫サイズの飛行ロボットを駆動することでした。研究者らが開発したロボットは、基本的に5GHzのダイポールアンテナから給電される圧電アクチュエーターの振動によって動作します。
「昆虫サイズの飛行体は、通信、環境調査、閉所の調査に役立つツールです。しかし、高出力密度の軽量バッテリーが存在しないため、これら超小型飛行体の飛行時間は制限されています。高周波電磁波による無線電力伝送は、障害物を通過できる可能性、波の誘導・集束機能、フェーズドアレイアンテナによる車両の非機械的制御を実現できる可能性があります。しかし、高周波による電力伝送はこれまで、より大型の乗り物に限られていました」と研究論文には記されています。
「私たちのロボットの重要な特長の一つは、高出力の単結晶圧電材料と、2枚の翼が拍手するように向かい合う低損失の構造を用いることで実現した、高効率な羽ばたき駆動です。この設計により、生きた昆虫の効率に匹敵する出力重量比が得られます」
超小型ロボットを作ろうとするエンジニアが直面する主な課題は、電力損失による熱暴走です。この問題を解決するため、尾崎氏らはロボットの回路設計を最適化し、発熱する部品同士が近接したり隣り合ったりしないようにしました。
さらに研究者らは、同程度の質量の一般的なリチウムポリマー電池よりはるかに高い比出力を持つ高周波エネルギー受信機を使用しました。これにより、ロボットの効率と稼働時間が大幅に向上しました。
「私たちの最も重要な発見は、サブグラム級の回路が、高周波電波を介して離れた場所から1W以上の高出力を受信し処理できることだと考えています。これは、飛行ロボットだけでなく、小型でありながら大電力を必要とする様々な機器も、バッテリーなしで実現できる可能性を示しています」
設計の有効性を評価するため、尾崎氏らは一連の実験を行いました。これらの試験で、研究者らは昆虫サイズのロボットを、バッテリーや電線を必要とせずにスムーズに離陸させることに成功しました。
この研究チームが開発したロボットの重量はわずか1.8gで、過去に開発された高周波駆動の超小型乗り物よりも25倍以上軽量です。そのため今後、ひび割れや配管、その他非常に狭い空間への侵入を伴う複雑な作業に大いに役立つ可能性があります。
「本論文では、離陸の実証に成功しました。次のステップは、この電力伝送技術と姿勢制御を組み合わせて、ロボットが空中でホバリングし自由に移動できるようにすることです。有線給電でロボットの位置を制御することにはすでに成功しているため、技術的には可能だと考えています」
超小型飛行体（MAV）は、環境のセンシング、通信、捜索救助、閉鎖的または危険な区域の自律点検などに利用される可能性があります。しかし、事故のリスクから、こうした機器に対する規制は厳しくなっています。例えば米国では、250g以上のドローンは登録が義務付けられており、飛行区域も厳しく制限されています。
日本も最近、小型ドローンの重量しきい値を200gから100gに引き下げると発表しました。特に、落下する飛行体の衝突エネルギーは質量に強く依存するため、軽量な昆虫サイズの機器を設計・開発することで、MAVの安全性を高められる可能性があります。
研究者らは、機体設計の最適化と新機能の追加によって、昆虫並みの質量を持つ完全に機能するつなぎ止めのないMAVを実現できると考えています。これには、飛行制御システムの統合や、エネルギー送信機のためのビーム集束・誘導システムの利用が含まれます。
