MIT の研究者、宇宙空間で形状を変えられるキューブ型ロボットを開発
宇宙に送るものとして、フルサイズの個別ロボットの群れと、より小型のロボットモジュールからなる大規模なチームのどちらかを選ぶなら、後者を選ぶことができます。
映画『シティ・オブ・ヒーローズ』などに登場するようなモジュール式ロボットは、自己組み立てと再構成の能力によって大きな期待を集めています。しかし、宇宙探査、捜索救助、形状変化といった分野で迅速かつ確実に展開するという野心的な目標がある一方で、現在作られているモジュール式ロボットはまだ少しぎこちないものです。
一般に、これらは移動のために大型で高価なモーターを多数組み合わせて作られており、数と大きさの両面でより拡張しやすい構造が強く求められています。
マサチューセッツ工科大学コンピュータ科学・人工知能研究所（MIT CSAIL）の研究者たちは、電流の流れによって生じる電磁場である電磁気学に着目し、かさばって高価な駆動装置を個別に組み立てる従来の方法を避けました。
代わりに、彼らはキューブの辺に、小型で作りやすく安価な電磁石を組み込みました。これらは反発と引き合いを起こし、ロボットが回転し、互いの周りを移動するとともに、素早く形を変えることを可能にします。
ElectroVoxelは一辺が約60mmで、電磁石はフェライトコア（小さな黒い筒のように見える磁性体）に銅線を巻いたもので、全体の部品コストはわずか0.60ドルです。各キューブの内部には小さなプリント基板と電子回路があり、正しい電磁石に、正しい向きで電流を流します。
機械的に二つの要素を接続する必要がある従来のヒンジとは異なり、ElectroVoxelは完全にワイヤレスであるため、大規模システムの保守や製造が大幅に簡単になります。
キューブ群が相互作用する際の動きを視覚的に把握するため、研究者たちは再構成を可視化し、その背後にある電磁界の分布を計算するソフトウェアのプランナーを使用しました。ユーザーはマウスのわずか数クリックで最大1,000個のキューブを操作でき、また連続する複数の回転を組み込んだ定義済みのシナリオを利用することもできます。
このシステムは、ユーザーがある程度の範囲でブロックの動きを制御できるようにします。速度を変えたり、磁石を強調表示したり、衝突を避けるために必要な動きを表示したりできます。椅子やソファなど、特定の形をとるようブロックに指示することもできます。
安価な小型ブロックは、とくに微小重力環境に適しています。この環境では、軌道に打ち上げる構造物はすべて、打ち上げに使うロケットの中に収まらなければなりません。ElectroVoxelの初期試験の後、研究者たちは無重力飛行試験で本物の無重力状態を確認しました。これは、燃料を使わない再構成や宇宙船の慣性特性の変更など、宇宙探査の道具を改良する全体的な動機にもつながります。
例えば、燃料を使わない作動方式を用いれば、再構成のために追加の燃料を打ち上げる必要がなくなり、打ち上げ時の質量と容積に関する多くの問題を解決できます。
このように、この再構成手法は、今後の多くの宇宙プロジェクトに役立つと期待されています。例えば、複数回の打ち上げにわたる宇宙構造物の拡張や交換、宇宙船の点検や宇宙飛行士の支援のための一時的な構造物、さらには独立した収納コンテナの仕分け装置として機能する将来のキューブなどです。
「ElectroVoxelは、完全に再構成可能なシステムの設計方法を示し、軌道上で機能するモジュール式ロボットシステムを実現するために解決すべき課題を科学コミュニティに提示しています。この研究は、電磁駆動の回転キューブを作成、運用、保守することがいかに簡単であるかを示し、柔軟でモジュール式かつ再構成可能なシステムの構築を可能にします。このシステムは、将来の探査ミッションの知的コンポーネントの開発にインスピレーションを与えるかもしれません」
ブロックを動かすには、小さな均一なピースのテトリスのように、決まった順序に従う必要があります。この場合、分極の順序は「発射」「移動」「捕捉」の三つの段階からなり、各段階には移動するキューブ（移動用）、出発点（移動するキューブを発射する元）、目的地（移動するキューブを受け止める先）があります。
ソフトウェアのユーザーは、どのキューブをどの方向に回転させるかを指定でき、アルゴリズムがそのために必要な順序と電磁石の指令先（反発、引き合い、または遮断）を自動的に計算します。
今後の作業としては、宇宙から地上への移行がElectroVoxelにとって自然な次のステップであり、地球の重力に逆らって再構成を行うために、これらの電磁石のより詳細なシミュレーションと最適化が必要になります。
「大規模で複雑な構造物を建設する際、それを組み立てる人々の能力や経験、輸送手段の大きさ、組み立て現場の厳しい環境条件によって制約を受けたくはありません。これらの前提は地球上では正しいものの、宇宙で物を作る場合には非常に重要です。単純で均一なモジュールから組み上がる構造物があれば、これらの課題の多くを取り除けるでしょう。したがって、宇宙での潜在的な利点は特に大きいものの、そこには逆説があります。微小重力がもたらす好ましい力学により、これらの課題の一部はむしろ解決しやすくなるのです。宇宙では、ごくわずかな力でも大きな物体を動かせるからです。この技術を宇宙での差し迫った現実的な問題の解決に応用することで、地球上でも将来利用できる技術を生み出したいと考えています」
ニッサーは、MIT CSAILのレオン・チェン、ヤシャスビニ・マカラム、カルガリー大学のコンピュータサイエンス准教授リオ・スズキ、マサチューセッツ工科大学のステファニー・ミュラー教授と共に論文を執筆しました。彼らは2022年の国際ロボット工学・自動化会議でこの研究を発表する予定です。本研究は、マサチューセッツ工科大学宇宙探査イニシアチブによって部分的に支援されました。
