ミノカサゴは流れに逆らって泳ぎ、尾は振り子のようにスローモーションで動きます。 しかし、この魚は冷血な相手とは違います。 それはロボットであり、静脈を流れる血液の代わりに、エネルギー密度の高い液体を循環させてバッテリーに電力を供給し、フィンを押します。 Nature誌で今日説明されているロボットは、1つのソリューションでロボット工学の2つの大きなハードルであるパワーと制御に対処する最初のステップになるかもしれません。 そして、その擬似血管系を介した強力な液体ポンピングのおかげで、このロボットはもう少し私たちに似ているかもしれません。
ロボットは通常、生物と同じようには機能しません。 多機能部品の複雑なネットワークの代わりに、ロボットはそれぞれが単一の目的を果たす分離されたコンポーネントで構成される傾向があると、新しい研究の主任研究者であるコーネル大学の機械エンジニア、ロバート・シェパードは説明します。 たとえば、電力に対応するシステムとモーションを制御するシステムがありますが、これは必ずしも効率的ではありません。 対照的に、人間の循環系は多機能です。血液を体全体に送り出すことで、体温を調節し、細胞を輸送して感染を防ぎます。
自然界には、私たちの循環システムよりもさらに効率的な循環システムの例があります。 実際、シェパードのロブミノカサゴに対する最初のインスピレーションは、実際にはスイマーではありませんでした。 むしろ、彼は「スーパーアスリート」と呼ばれる渡り鳥である高飛ぶオジロワシに魅了されました。
「それは、保温性とエネルギーの貯蔵の両方の多機能的な方法で動物にエネルギーを追加し、それから効率的な方法でエネルギーを分配できるということを本当に私に固執しました」とシェパードは言います。 「それを[ロボット]のバッテリーと比較すると、多くの場合、エネルギーを供給して重量を追加する以外の機能を実行しません。」
これを念頭に置いて、シェパードは、ロボットのバッテリーを作成して電力と制御の両方をうまく管理する方法があるかどうか疑問に思いました。 すでに多くのロボットが、水などの油圧作動油をシステムに送り込み、一部の部品を動かす力を加えています。 彼らが典型的な油圧作動油をエネルギーを貯蔵する作動油に置き換えることができれば、彼はその流体が単なる機械的運動を促進する以上のことを行えると考えた。 多機能油圧を使用すると、長期的にエネルギーを節約することもできます。これは、固体バッテリーを搭載した従来のロボットは、長期動作のために追加のバッテリーパックを必要とすることが多いためです。
設計に関する特許を申請したShepherdと彼のチームは、ヨウ化亜鉛レドックスフロー電池と呼ばれるものを使用しました。この電池には、エネルギー貯蔵庫として機能する液体電解質溶液が含まれています。 エネルギーが豊富な液体は、バッテリーを充電する化学反応に寄与し、同時にミノカサゴを循環してフィンを動かす油圧作動油としても機能します。 動きを可能にするために、フィンは柔軟な電極と柔らかいシリコンスキンで作られています。 テールフィンの一方の側に油圧油を注入すると、皮膚が膨らみ、フィンがより硬い中央部の周りで反対側に曲がります。 液体の方向を逆にすると、ひれが逆に曲がり、液体が振動するにつれて魚が泳ぐことができます。 胸びれも液体によって動力を供給され、外側に扇状に広がり、ミノカサゴが通信するために使用するひれの動きを模倣します。
チームは、ミノカサゴを塩水タンクに入れて、ロボットが流れに逆らって泳ぐことができることを観察しました。 実験では、ロボットを最大2時間泳がせましたが、理論的には36時間も動作できると計算しました。 彼らはまた、ロボットのエネルギー性能は、水のような通常の油圧作動油を使用した従来の設計よりも約3〜4倍優れていると推定しました。
シェパードは、固体電池の多機能使用は新しいものではないと説明しています。 たとえば、フォークリフトのバッテリーはエネルギー源として機能し、重量物を持ち上げて重い物を持ち上げるときに機械を安定させます。 しかし、液体電池の多様な使用法はこれまで検討されていませんでした。 「今、アイデアはそこにあります」とシェパードは言います。「人々が油圧を使用するとき、「油圧油を電解液に置き換えることはできますか？私のシステムでより濃い流体ですか？」
「液体をバッテリーとして使用するというアイデアは本当に素晴らしいです」と、他のロボット魚に取り組んできたがこの研究には関与していなかったロボット工学者、ETH ZurichのRobert Katzschmann氏は言います。 しかし、カッツシュマンはバッテリーの効率について懸念を抱いており、浮力の助けを借りずに固体バッテリーパックの余分な重量を避けることが重要となる概念を水からより良く示すことができると強調しています。
「理論的には素晴らしい。水中ではないロボットを作ることができたからだ」とカッツシュマンは言う。 「歩行ロボットを作りたいなら、もう少し難しいです。 そして、飛行できる完全にソフトなロボットを誰も見せていないので、水中でアイデアとしてそれを見せることは理にかなっていますが、彼らがやるべき仕事はまだたくさんあります。」
シェパードはバッテリーの改善について楽観的です。 彼は、バッテリーの化学的性質は安全に扱うことができるが、「エネルギー密度はそれほど高くない」と強調しています。
「課題は、安全でありながらエネルギー密度を高めることです」と彼は言います。 「どこに行くことができるかは知っていますが、もっと慎重に行かなければなりません。」そして、カッツシュマンのように、彼はこの作業が将来の地上のロボットに貢献することを想定しています。 「伸縮性のあるシステムを作成したため、現在制限されているフォームは変更される可能性があります」とシェパードは付け加えます。 「確かに、未来は少なくとも地上システム向けのハイブリッドシステムです。ソフトパーツがセンシングに使用され、電気機械式および流体式アクチュエータにオーバーレイされます。」
ソフトロボット工学の分野では多くの進歩がありますが、シェパードのミノカサゴは、少なくともこれまでのところ、物事は遊泳していると示唆しています。
