ロボティクス
ロボティクスの進化に貢献するマルチスケールサクション
ロボットとロボティクスの研究は、常に進化を続ける分野であり、プロセスをより効率的で最適化されたものにするための新しいアプローチを探求し続けています。これらの努力と探究は、多くの場合、私たちを取り巻く自然と動物の王国からインスピレーションを得ています。例えば、ブリストル大学の科学者は、タコのような超適応サクション能力を持つロボット用のサクションカップを開発しました。
タコにインスパイアされたロボットのサクションメカニズム
ブリストルロボティクス研究所は、タコの生物学的な吸盤の構造を研究し、非常に高いレベルの吸着能力と最適な方法で岩に固定できることを発見しました。この研究により、タコの筋肉と粘液構造に似た人工の流体システムと、マルチレイヤーのソフト構造が作成されました。
この研究の最も重要な成果について、論文の筆頭著者であるTianqi Yueは次のように述べています。 “最も重要な成果は、機械的コンフォーメーション（ソフト材料を使用して表面の形状に合わせる）と液体シール（接触面に水を広げて吸着適応性を向上させる）の組み合わせの有効性を実証したことです。生物学的組織が適応性のある吸着を実現するための秘密かもしれません。”
したがって、重要な発展は、現在の人工的な吸着モードを超え、適応性のある吸着の領域に進出することです。つまり、最も困難で複雑な表面に接着できる能力が必要です。
タコの吸盤の仕組みをより深く理解するための歴史的研究
タコの吸着メカニズムを理解することは、長い間科学界の関心事でした。研究者たちは、タコが吸盤を独立して動かして、必要に応じて物体を把持できることを知っていました。
リヴォルノの研究者による研究では、10年以上前にタコの吸盤を調査し、吸盤の側面と辺りが独特に構造されていることがわかりました。吸盤には、水中の粗い表面に強いシールを形成するのに役立つ、微小な同心円状の溝がありました。
同様の溝は上部にも見られ、有効で強力なシールが形成されましたが、低圧力でした。
この低圧力現象についてさらに調査した結果、研究者は吸盤についてさらに多くの洞察を得ました。吸盤の側面と辺りは柔らかかったのに対し、上部ははるかに硬かったことがわかりました。この硬さは、局所的な低圧の生成を助け、接着を優れたものにしました。
この発見以来、ロボットにタコの吸着メカニズムを模倣するという話が持ち上がってきました。現在、努力が実を結んでいます。
マルチサクションメカニズムとその解明
研究では、タコのようなマルチサクションメカニズムが、機械的コンフォーメーションと制御された水シールの有機的な組み合わせによって再現できることが提案されました。ロボット用のソリューションで使用されているマルチレイヤーのソフト材料は、まず基板に粗い機械的コンフォーメーションを生成し、最終的に漏れの穴をマイクロメートルに減らしました。これらのマイクロサイズの穴は、人工の流体システムからの制御された水分泌出によって密封されました。
この研究の将来的な意味
研究者は、複雑な乾燥表面に対応できるロボットグリッパーを開発するための道を拓く可能性があると指摘しています。マルチスケール適応サクションメカニズムの重要性を強調し、より効果的でユニークに適応するサクション戦略を開発する可能性を示しました。
Tianqi Yueは、現在の解決策が既存の解決策よりも優れていることを強調しています。
“現在の産業用解決策は、常にオンの空気ポンプを使用して能動的に吸着を生成しますが、これらは騒音が大きく、エネルギーを浪費します。”
現在の解決策にはポンプは必要なく、優れています。開発者が期待したように、現在の解決策は次世代のロボットグリッパーを実現し、不規則な物体を効率的に把持できるようになります。チームは、カップの動作を適切に制御できるセンサーを埋め込んだインテリジェントサクションカップを計画しています。
この研究と提案された解決策は確かにブレークスルーと言えるものですが、ロボティクスと科学のコミュニティは常にタコからインスピレーションを得ています。
タコという驚異的な生物
タコの遺伝子構成は、地球上のほとんどの生物と大きく異なります。タコのDNA研究では、約33,000個の遺伝子を持っていることが明らかになりました。これは、人間の約10,000個よりも多くの遺伝子です。人間や他の多くの動物と異なり、タコはRNAを編集する能力を持っています。
タコには人間と似た遺伝子もあり、これらはタコの知能の発達に役立っています。たとえば、タコには人間の神経ネットワークに貢献する遺伝子セットがあります。この神経ネットワークにより、タコは様々な状況に適応し、迅速に学習できます。また、RNAを編集する能力により、タコは深海の厳しい寒さにも耐えることができます。
タコには大きな脳があり、人間と同様の閉鎖循環系、虹彩で保護された目、網膜、レンズがあります。
タコは最も優れたカモフラージュ能力を持っています。タコの遺伝子コードが解読されれば、科学者はタコがカモフラージュをどのように実現するのかをより深く理解できるようになります。タコはミリ秒単位で皮膚の色を変える能力を持っており、これは神経科学者、織物エンジニア、構造エンジニアにとって有益な能力です。
タコの心
タコの生理学的な優秀性、特に大きな脳は、科学者にタコの認知プロセスをより深く研究するよう促しています。
2016年、ニューヨーク市立大学グラジュエートセンターの哲学教授であり、オーストラリアのシドニー大学の科学と哲学の歴史の教授であるピーター・ゴッドフリー＝スミスは、『Other Minds: The Octopus, the Sea, and the Deep Origins of Consciousness』という本を著しました。この本で、ゴッドフリー＝スミスは次のように書いています。
“タコとその近縁種（カミナリイカやイカ）は、無脊椎動物の中で精神的な複雑さの島を表しています。私がこれらの生物と出会ってから約10年間、私は彼らとの交流が可能な強い関与感に魅了されてきました。”
ゴッドフリー＝スミスは、本で、普通のタコには体に約5億個のニューロンがあることを強調しています。人間の約1000億個とは遥かに少ないですが、タコはかなり賢い動物です。タコは単純な迷路を移動し、視覚的な手がかりを効果的に利用して、2つの異なる環境を区別し、最適なルートを選択することができます。
タコの知能と生理的なユニークさの組み合わせが、タコを並外れた生物にします。ロボティクス分野は、賢い機器が複雑なタスクを実行できる状態を達成しようとしてきました。タコのような生物に興味を持つロボティクス学生が増えるのは当然のことです。機関の研究者だけでなく、有名企業もこの分野で活躍しています。
#1. ABB
タコの能力を製品に模倣しようとしている企業の1つは、ABBです。2018年、ABBテクノロジー・ベンチャーズ（ABBの戦略的ベンチャーキャピタル投資部門）は、ホワイトサイド・グループのスピンアウトであるソフトロボティクスと提携しました。
タコの触手の機能にインスパイアされたソフトロボティクスは、ポリマーから作られたソフトロボットアクチュエーターを開発しました。これは、センサーまたは電気機械的デバイスを必要とせずに動作します。同社は、グリッパー自体に計算能力を直接埋め込み、人工の流体システムとマイクロ流体チャンネルを備えた独自の材料のブレンドを開発しました。
ロボティクスへのマルチスケールサクションの統合に関する最近の進展は、これらのテクノロジーの有効性と効率性を高めることができます。
タコは、知能と人間に似た眼の構造で知られており、ロボティクスにおける重要な進歩を刺激してきました。この年、ABBはSevensenseを買収しました。Sevensenseは、視覚的および認知的能力を工業ロボットに与えることを専門とするスイスのテクノロジー企業です。
2023年度、ABBグループは322億ドルの収益を報告しました。同社は、研究開発に13億ドルの投資を行い、営業EBITAマージンは約17%でした。
#2. Festo
タコにインスパイアされたロボットのもう1つの例は、ドイツのロボティクス企業Festoのボットです。
もともとOctopusGripperと呼ばれていたこのロボットデバイスは、吸盤と空気の組み合わせを使用して物体を拾い上げ、保持、そして置くことができました。現在はTentacle Gripperと呼ばれています。同社は、このバイオニックグリッパーを、空気圧で制御できるソフトシリコン構造と説明しています。
グリッパーは、シリコンの触手の内部に2列の吸盤を備えています。グリッパーの先端には小さな吸盤が配置されており、被動的な効果を与え、真空で駆動される大きな吸盤は、物体をグリッパーに強く接着させます。
Festoは、このロボットを、同社が開発した2つの空気圧式軽量ロボット、BionicMotionRobotとBionicCobotでテストしました。これらのロボットは、キネマティックな性質を持ち、柔軟性と無限の剛性を備えていました。
人工の触手はソフトな材料で作られたため、優しく柔らかく物体を把持することができました。同社は、この解決策が将来の協調的な職場環境に大きな潜在性を持っていることを主張しています。
2023年度は、同社にとって収益の面で整理の年でした。Festoのプレスリリースによると、同社の売上高は前年度比で約4.3%減少し、約36.5億ユーロとなりました。
収益の減少にもかかわらず、同社は研究開発と地域市場供給の拡大に多大な投資を続けています。特に、同社は2023年に売上高の約7.7%を研究開発に投資しました。
ロボティクスが自然と動物の王国からインスピレーションを得ること
今日、タコの吸盤からロボティクスがインスピレーションを得る特定の例について話しました。ただし、より広い視点から見ると、ロボティクスは私たちを取り巻く自然の世界からインスピレーションを得ることができます。多くのバイオインスパイアードロボティクスのイニシアチブがすでに一般の場で実施されています。
たとえば、2024年1月に、研究が発表され、自立して成長するロボットが、植物の登攀行動の適応戦略にインスパイアされて、構造化されていない環境を移動することができました。これらのロボットは、植物の先端の芽を模倣して、センサー付きの先端と付加的な製造メカニズムを通じて成長を調整することができました。
ソフトロボット製造に適した材料の分野でも重要な研究が行われました。ミネソタ大学ツインシティーの科学者とエンジニアのチームは、合成材料の成長を可能にする植物にインスパイアされたプロセスを開発しました。
この解決策は、研究者が複雑な地形、さらには人体内を移動できる改良されたソフトロボットを製造するのを助けることができます。研究論文の第一著者であるマシュー・ハウスラーデンは、チームが植物や菌類の成長にインスパイアされたと述べています。研究者たちは次のように述べています。
“私たち（研究チーム）は、植物や菌類が体の先端に材料を追加するという考えを取り入れ、エンジニアリングシステムに翻訳しました。”
自然界は、想像できる以上に多くの変化や変遷を経験してきました。動物は何千年にもわたって生き残り、適応してきました。彼らの驚くべき適応技術を慎重に研究し、詳細に観察する必要があります。彼らの真の意味でそれらを再現しようとすることは、科学と技術の分野で私たちが想像できる以上のことを達成するのに役立つでしょう。
