中国の研究者らは柔軟な潜水ロボットを開発した。専門家によれば、このロボットは将来、人類が地球の広大な海の未踏の深淵の秘密を解明するのに役立つかもしれないという。
浙江大学のTiefeng Li教授とその同僚は、シリコンなどの柔軟な素材、埋め込み型および分散型の電子制御、そして生体模倣推進システムを使用して、エンジニアが深海研究における硬質ロボットの限界を克服する方法を示しました。
今週ネイチャー誌に掲載された研究によると、ソフトマシンは、エベレスト山頂よりもさらに深い海面下の深さ10,900メートルの有名なマリアナ海溝で作動することができたという。
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プレッシャーの下で
水中環境で動作する硬質ロボットは、深海に潜るほど増大するストレスに耐えるのが困難です。従来の制御システムは、海面の標準大気圧の1000倍を超える圧力から保護するために密閉する必要があります。そのため、金属材料で作られた防水筐体が必要となり、深度が深くなるにつれて筐体の厚みと寸法も大きくする必要があります。
「3,000メートルから11,000メートルの深さまで探査するには、剛性の高いロボットや機械に圧力容器または圧力補償システムが必要です。しかし、極限条件下での構造破損のリスクを考えると、深海探査は依然として困難です」と研究者らは述べています。
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研究チームは、自然との消耗戦に臨む代わりに、自然からインスピレーションを得ました。
「タコやクラゲなど、中深海（1,000メートル以上）に生息する軟体生物は広く研究されており、その適応力は水中ソフトロボットの設計にインスピレーションを与えてきました。洗練されたソフトロボットの設計は、深海探査への有望なアプローチを提示しています」と、論文「マリアナ海溝における自己駆動型ソフトロボット」は述べています。
研究者たちは特に、最近水深約8,000メートルで発見された超深海ウナギの、厄介な制御システム問題を進化がどのように解決してきたかに注目した。ウナギの体は、分散した部分的に開いた頭蓋骨と羽ばたく胸鰭を特徴としており、これら2つの特徴が、搭載型電源、制御、誘電エラストマーアクチュエータを備えた研究者たちの深海ソフトロボットの機械設計の指針となった。
そのため、深海フロッピーボットでは、バッテリー、マイクロコントロールユニット、電圧増幅器などの電子機器がポリマー内のマトリックスに封入されています。「電子部品が単一のプリント基板上に高密度に詰め込まれた場合、圧力試験の結果、それらの接合部で故障が発生することが示されています」と研究論文は述べています。
ソフトロボットとその製作のインスピレーションとなったウミウシ。写真：Nature
圧力耐性を高めるため、研究者たちは、部品を複数の小さなプリント基板に配線接続したり、分離したりする分散型設計を採用することでせん断応力を軽減しました。また、トランスを回路基板から分離し、電子部品間の直接的な固定接触を排除することでマイクロチップ間の距離を広げました。
一方、推進力を得るために、ヒレは電気エネルギーを機械的な仕事に変換する柔らかい素材でできた人工筋肉に取り付けられています。小さな固体構造が収縮する筋肉をヒレに機械的に連結し、羽ばたきを促します。
実験室でのテストの結果、コンポーネントに同じ圧力がかかった場合の応力は、集中化された剛性のロボット設計の場合よりもはるかに小さいことが示されました。
このロボットは南シナ海で羽ばたき移動による自由遊泳試験に成功しました。また、マリアナ海溝でも従来の水中ロボットに連結された状態で試験され、ミッションの様子を撮影しました。
ただし、泳ぐ速度は1秒あたり約5cmなので、それほど速くはありません。
それでも、極限の水中環境に対応するロボット設計の目覚ましい進歩は、地球上でほとんど未踏の広大な海域のさらなる解明に役立つ可能性があります。マリアナ海溝に降り立った人の数は片手で数えられるほどで、月面に降り立った人の数よりも少ないのです。
付随記事の中で、シンガポール国立大学機械工学部のセシリア・ラシ教授と英国リンカーン大学の上級講師マルチェロ・カリスティ氏は、「リー氏と同僚の研究は、達成可能な限界を押し広げるものです。電子部品を保護するための硬い筐体を、柔らかい素材に埋め込まれた分散型電子機器に置き換えることで、新世代の深海探検家への道が開かれます」と述べています。
このようなロボットは「研究者が広大な未知の深海を探索するのに役立つ」可能性があると解説者は述べた。
しかし、ロボットの速度については明らかに改善の余地があります。大きな外乱に耐えられず、水中の流れに簡単に流されてしまう可能性があります。®
