ロボティクス
マルチスケール吸引でロボティクスを進化させる
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ロボットとロボティクスの研究は、私たちのプロセスをより効率的かつ最適化するために新たな道を探求し続ける、常に進化し続ける分野です。ロボット吸盤を開発しました これは、タコの生体吸盤に似た超適応的な吸引能力を備えています。
タコにインスパイアされたロボットの吸引メカニズム
すべてはブリストルロボティクスラボラトリーが、非常に高い吸引力を示し、あらゆる岩に最適な方法で固定できるタコの生体吸盤の構造を研究したことから始まりました。この研究により、タコの筋肉組織と粘液構造のように機能する多層ソフト構造と人工流体システムが作られました。
この研究の最も重要な成果は、ソフト素材で表面形状に順応させる機械的コンフォメーションと、接触面に水を広げて吸引適応性を向上させる液体シールの組み合わせの有効性を実証できたことです。これは、生物が適応的吸引を実現できる秘密でもあるかもしれません。
したがって、重要な開発は現在の人工吸引の方式を一段上げ、適応的吸引の領域—最も困難で複雑な表面に付着できる能力—に踏み込むことです。これにはマルチ吸引メカニズムが必要であり、研究はその実現方法を示しました。
タコの吸盤の働きをより深く理解するための歴史的研究
タコの吸引がどのように機能するかを理解することは、長らく科学界の関心事でした。研究者は、タコが吸盤を独立して動かし、必要に応じて物体を掴むことが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は、タコの吸盤の側面と縁が独特に構築されていることが判明しました。吸盤には微小な同心溝があり、これが水中のあらゆる粗い表面に強固なシールを形成するのに役立っています。
上部にも同様の溝が見られ、効果的で強固ながら低圧のシールが形成されました。
この低圧現象をさらに調査した結果、研究者は吸盤に関する新たな洞察を得ました。吸盤の側面と縁は柔らかい一方で、上部ははるかに硬いことが分かりました。この低い弾性が局所的な低圧生成を助け、接着力を優れた、頑丈で効率的なものにしました。
この発見以来、タコの吸引メカニズムをロボットに模倣する議論がありました。現在、その取り組みが実を結んでいるのが見られます。
マルチ吸引メカニズムとその解明方法！
研究は、タコのようなマルチ吸引メカニズムは、機械的コンフォメーションと調整された水シールの有機的組み合わせにより再現できると提案しました。ロボットソリューションが使用した多層ソフト素材は、まず基板に粗い機械的コンフォメーションを生成し、結果として漏れ孔をマイクロメートル単位に減少させました。これらのマイクロサイズの孔は、人工流体システムからの調整された水分泌によりシールされました。
この研究の将来への影響
研究者は、潜在的な応用分野を強調しながら、この開発がさまざまな複雑な乾燥表面を扱えるロボットグリッパーへの道を開く可能性があると指摘しました。彼らは、マルチスケール適応吸引メカニズムが、より効果的で独自の適応吸引戦略の開発に重要であり、汎用的で柔軟なソフト接着メカニズムの全スペクトルにつながる可能性があると強調しました。
このソリューションが既存の解決策に比べてもたらす向上点を指摘しながら、Tianqi Yue は次のように述べました：
現在の産業用ソリューションは常時稼働するエアポンプを使用して能動的に吸引を生成していますが、これらは騒音が大きくエネルギーを浪費します。
現在のソリューションはポンプを必要としないため、優れています。また、開発者が予想した通り、このソリューションはさまざまな不規則な物体を効率的に把握できる次世代ロボットグリッパーへとつながります。チームは、カップの挙動を適切に制御できる組み込みセンサーを備えたインテリジェント吸盤の開発も計画しています。
この研究と提案されたソリューションは確かに画期的ですが、科学界とロボティクスコミュニティは常にタコにインスパイアされてきました。
驚くべき生物、タコ
タコの遺伝子構成は非常にユニークで、地球上のほぼすべての生物と大きく異なります。タコに関するDNA研究によれば、約33,000個の遺伝子を持ち、人間より約10,000個多いことが明らかになりました。人間や多くの動物が遺伝子コードを改善できるのに対し、タコは自らのRNAを編集する驚異的な能力を持っています。
人間とのいくつかの類似点もありました。そしてこれらの類似点がタコを人間のようにより知的にするのに役立ちました。
例えば、タコは脳内の神経ネットワークに寄与する人間に似た遺伝子群を持っています。この神経ネットワークにより、さまざまな状況に適応し、迅速に学習できるようになります。さらに、RNAを編集する能力が適応力を高め、深海の極寒に耐えることができます。
視覚的にも明らかなように、タコは大きな脳を持っています。また、人間と同様に、閉鎖循環系、虹彩で保護された眼球、網膜、レンズを備えています。
タコは最高レベルのカモフラージュ能力も持っています。遺伝子コードが解読されたことで、科学者はその仕組みを理解しやすくなります。タコは数ミリ秒で皮膚の色を変えることができ、神経科学者、繊維工学者、構造工学者が活用できる能力です。
タコの心
タコの生理的な優秀さ、特に大脳は、科学者がその認知プロセスをより深く研究する動機となっています。
2016年、ニューヨーク市立大学大学院センターの哲学名誉教授であり、オーストラリア・シドニー大学の科学史哲学教授でもあるPeter Godfrey-Smithは、『Other Minds: The Octopus, the Sea and the Deep Origins of Consciousness（他者の心：タコ、海、そして意識の深遠な起源）』という書籍を執筆しました。その中で彼は次のように書いています：
タコとその親戚（コウモリイカとイカ）は、無脊椎動物の海の中で精神的複雑性の島を形成しています。約10年前にこれらの生物と出会って以来、彼らと交流することで得られる強いエンゲージ感に魅了されてきました。
本書で、Godfrey-Smith教授は一般的なタコの体内に約5億個のニューロンがあることを指摘しました。これは人間の約1000億個に比べてはるかに少ないものの、タコは単純な迷路をナビゲートし、視覚的手がかりを効果的に利用して二つの異なるが馴染みのある環境を区別し、最適なルートを選択できるほどかなり知的です。
知性と生理的独自性の組み合わせがタコを際立たせています。本質的に、ロボティクス分野は常にこの状態、すなわち知的な装置が複雑なタスクを実行できることを目指してきました。そのため、ロボティクスの学生はこの驚くべき生物を継続的に探求しています。大学の研究者だけでなく、いくつかの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することに常に関心を持っていた企業の一つがABBです。2018年、ABBの戦略的ベンチャーキャピタル投資部門であるABB Technological Venturesは、Whitesides GroupからスピンオフしたSoft Roboticsと提携しました。
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=0-2B1Vn75Qg&embeds_referring_euri=https%3A%2F%2Frodinanews.co.uk%2F&feature=emb_imp_woyt
タコの触腕の機能にインスパイアされ、Soft Robotics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を開発し、センサーや電気機械装置を必要とせずに動作させました。同社は計算能力をグリッパー自体に組み込み、ヒトの手の軟組織を模倣したマイクロ流体チャンネルを備える独自の材料ブレンドを開発しました。
マルチスケール吸引を先進的ロボットに統合する最近の開発は、これらの技術の有効性と効率性を向上させることができます。
高い知能と人間に似た高度な眼構造で知られるタコは、ロボティクスにおける重要な開発にインスパイアしました。今年、ABBはスイスのテック企業Sevensenseを買収しました。Sevensenseは、産業用ロボットに視覚と認知機能を装備し、モビリティを向上させることを専門としています。
2023会計年度において、ABBグループは322億米ドルの収益を報告しました。同社は研究開発に13億米ドルの大規模投資も行い、営業EBITAマージンは約17％でした。
#2. Festo
別の例として、先進的なロボティクス企業がすでに関心を示し、マルチスケール吸引をさらに活用して能力を強化しようとしているケースとして、ドイツのロボティクス企業Festoのタコにインスパイアされたロボットを取り上げます。
https://www.youtube.com/watch?v=WeEJrJNpvP0
当初はOctopusGripperと名付けられたこのロボットデバイスは、吸盤と空気の組み合わせで物体を掴み、保持し、置くことができました。その後、Tentacle Gripperに名称が変更されました。同社はこのバイオニックグリッパーを、空圧で制御可能なソフトシリコン構造として説明しています。圧縮空気が供給されると、グリッパーは内側に曲がり、物体をしっかりと包み込むことができます。
構造的に、グリッパーはシリコン触腕の内部に取り付けられた2列の吸盤を持ちます。小さな吸盤はグリッパー先端に配置され受動的な効果を与え、真空で駆動される大きな吸盤は物体がグリッパーにしっかりと付着するのを助けます。
Festoは、このロボットをBionic Learning Networkで開発された2つの空圧軽量ロボット、BionicMotionRobotとBionicCobotでテストしました。これらのロボットは運動学的特性により柔軟で、無限の方法で可変的に硬さを調整できました。
人工触腕はソフト素材から開発されたため、優しく柔らかく掴むことができました。同社はこのソリューションが未来的な協働作業環境に大きな可能性を持つと主張しています。
売上面では、2023会計年度は同社にとって統合の年でした。Festoのプレスリリースによると、売上高は前年度比で約4.3％減少し、約36億5千万円ユーロとなりました。
売上のわずかな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引き続き多額の投資を行っていると述べました。具体的には、2023年に売上高の7.7％を研究開発に投資しました。
自然界と動物界からインスピレーションを得たロボティクス
本日は、ロボティクスがタコの吸盤からヒントを得た具体例を取り上げました。しかし、より広い視点から見ると、我々を取り巻く自然界全体からヒントを得ることができます。すでに公共領域で複数のバイオインスパイアドロボティクスの取り組みが進行中です。
例えば、2024年1月に、つる植物の行動適応戦略にインスパイアされた自律成長ロボットが発表されました。このロボットは、つる植物の頂部芽を模倣し、感知と付加的適応成長を協調させることで、非構造化環境をナビゲートできます。
ソフトロボット製造に適合する材料の分野でも重要な研究が行われました。数年前、ミネソタ大学ツインシティーズの科学者とエンジニアのチームが、合成材料の成長を促進する植物インスパイアドプロセスを開発しました。
このソリューションは、研究者が複雑な地形、さらには人体内でも航行できる改良されたソフトロボットの製造に役立つ可能性があります。論文の第一著者であるMatthew Hausladenによれば、研究者は植物と菌類の成長方法に大いにインスパイアされたとのことです。研究者は次のように述べました：
我々（研究チーム）は、植物や菌類が体の末端、すなわち根先や新しい芽に材料を付加するという考えを取り入れ、それを工学システムに翻訳しました。
自然界は、私たちが想像できる以上に無限の変化と転換を経験してきました。動物は何千年もの間、生き残り適応してきました。私たちは彼らの驚異的な適応技術を綿密に研究し、より詳細に観察しなければなりません。その本質を忠実に再現しようとすることは、科学技術の分野で想像を超える成果を常にもたらすでしょう。
