『具現化エネルギー』でソフトロボティクスを強化し、新たな可能性を切り開く

ロボティクスは急速に成長している市場で、予測される2024年の945億4,000万ドルから、2034年までに3,725億9,000万ドルを超えると拡大すると見込まれています。 

産業用ロボットが現在この成長を牽引しています。今日、340万以上の産業用ロボットが私たちの生活を便利にするために稼働しています。産業企業は今後5年間で資本の25％を産業オートメーションに投資する計画です。

ロボティクスがますます注目を集める中、ロボティクスのサブフィールドも研究者の関心を集めています。産業オートメーション以外の用途でロボットの需要が増えるにつれ、ソフトロボティクスの分野への関心が高まっています。

これらのロボットは、ヘビ、ミミズ、ウナギ、タコなど、自然界に存在する柔らかく柔軟な体の移動メカニズムを模倣しています。 

ソフトロボティクスは、これらの柔らかい体の生体構造からのインスピレーションを取り入れ、滑らかで複雑な動きを実現しています。従来のロボットのように硬い金属部品を使用する代わりに、ソフトロボットは通常、ゲルやゴムなどの柔軟な材料で作られます。これにより、複雑な環境に適応し、人間と安全に相互作用できるようになります。

駆動には、熱刺激、電気信号、空気圧など、さまざまな方法が利用されています。これらの駆動源は通常、ロボット本体の外部にあり、動きを制御します。

これらのロボットは適応性と安全性の向上という利点を提供します。柔軟で軽量な素材の使用は、特に直接人間と相互作用する際の怪我リスクを低減し、医療やウェアラブル技術などの用途で非常に有益です。

柔軟な関節とソフトグリッパーを備えることで、これらのロボットは簡単に曲げ、ねじり、伸ばすことができます。生物的な動作を実行できる能力により、人間にとって安全でない作業や高度な制御が必要な作業に利用できます。構造的な柔軟性と器用さにより、壊れやすい物体の取り扱いや他の繊細な作業にも適しています。

しかし、もちろんソフトロボットは、限られた強度、低精度、低耐久性、製造やスケールアップの難しさ、そして高度なアルゴリズムや広範なセンシングシステムの必要性といった課題にも直面しています。

しかし、ソフトロボットの能力は軟体生物と密接に一致しているため、医療、農業、捜索救助、宇宙探査など多様な分野で有望です。

すでにいくつかの有望なソフトロボットが開発されています。例えば、ハーバード大学の触手ロボットは、クラゲのようなソフトグリッパーで、巻き毛のメカニズムを模倣して壊れやすい物体を優しく掴むことができます。

医療分野では、韓国科学技術院（KAIST）のK-FLEXは傷跡の残らない内視鏡手術を実施でき、MITのバイオニックハートは医療従事者が心血管疾患を研究し、患者に最適な治療方針を決定するのに役立ちます。

ソフトロボットは海洋探査にも利用されています。数年前、中国の研究者は自律電源のソフトロボットを発表し、マリアナ海溝という最深部に到達できました。宇宙探査に関しては、NASAが支援する掘削型ソフトロボットが砂地を移動でき、将来的に木星の衛星探査に送られる可能性があります。

ソフトロボットに関する研究が進むにつれ、さまざまな用途で硬いロボットに取って代わることさえ期待されています。 

ソフトロボット種の進化

コーネル工学部の新しい研究は、ソフトボディ全体に統合されたモジュラー電源システムを備えた無線の陸上クロールロボットを発表しました。 

このワームロボットを作る前に、同研究室はコーネル工学部のArcher Groupと協力してクラゲロボットを構築しました。どちらも6年前に発表された水性ソフトロボットの直接的な子孫です。 

2019年に、コーネル大学の研究者は論文¹「Electrolytic vascular systems for energy-dense robots」を発表しました。このシステムはレドックスフロー電池を模倣し、油圧力伝達、駆動、エネルギー貯蔵の機能を1つの設計に統合し、ロボットのエネルギー密度を高め、最大36時間の稼働を可能にしました。 

そのために、研究者はライオンフィッシュからインスピレーションを得ました。ライオンフィッシュは波打つ扇形のひれを使ってサンゴ礁環境を滑空します。

当時、研究者は「油圧流体における電気化学エネルギー貯蔵の使用は、将来のロボット設計においてエネルギー密度、自律性、効率、そして多機能性の向上を促進できる」と述べました。

数か月前に、新しい論文²、「The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot」が発表されました。この研究では、RFBがクラゲの形に形成され、エネルギーの多機能利用が実現されました。 

クラゲは主に「メソグレア」と呼ばれる物質で構成されており、内部の骨格として機能します。この材料はクラゲの体を弾性にし、筋収縮によって変形した後に形状を復元するのに役立ちます。メソグレアはフィブリリンを含む微細繊維からなり、クラゲはこれを筋肉の駆動と移動・摂食に利用します。

このロボットは、体積エネルギー密度と面積エネルギー密度が向上したRFBのみで駆動され、主に液体で構成されたUUVの長寿命運用を実現しました。

現在、研究³ は、陸上生命がバッテリーの開発と設計によって進化したように、さらに進化しています。

機械・航空宇宙工学の教授であり、前回と今回のプロジェクトを率いたロブ・シェパードによれば：

「これが陸上の生命が進化した方法です。まず魚から始まり、次に地面に支えられた単純な生物が現れます。ワームは単純な生物ですが、自由度がより多くなります。」

同じ「ロボット血液」、すなわちエネルギーを蓄え以前のロボットを駆動していた油圧流体が、新しいロボット種でも維持されています。しかし今回は、研究者は設計をさらに改良し、より大きなバッテリー容量と出力密度を実現しました。

シェパードは、クラゲはその重量に対してはるかに大きな容量を持つと指摘しました。これにより、ロボット魚が移動できる時間が実際の魚よりも長くなりました。現在、陸上での最初のバージョンはワームで、水中では浮力で支えられ、骨格が不要であるため剛性も必要ありません。

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具現化エネルギーがソフトロボットを駆動する

ロボティクスにおける機敏性への需要が高まるにつれ、複雑さも増します。これは、センシング密度と自由度（DoF）の増加、すなわち物体の独立した動きを意味します。

結果として、ロボットの消費電力も増加する可能性があり、エネルギー容量が重要な要素として考慮されることになります。

ここで具現化エネルギーが登場します。これは、組み込み電源を多機能に利用することでシステムレベルのエネルギー密度を向上させる設計戦略です。このアプローチは、電源を機械本体に組み込むことでコストと重量を削減します。

Organic Robotics Labが開発したモデルワームロボットとそのクラゲは、この「具現化エネルギー」の利点を示しています。 

バッテリーに蓄えられたエネルギーをロボットの構造と機構の不可欠な部分に具現化することで、研究者はより良い結果を得ることができました。研究は次のように述べています：

「電源をモーター駆動の腱アクチュエーターモジュールに具現化することで、長時間の有用作業が可能な人工筋肉ユニットをロボットに組み込むことができます。」

両ロボットはレドックスフロー電池（RFB）を搭載しており、これは液体に溶解した2つの化学成分が提供するエネルギーを蓄える電気化学システムです。 

クラゲ形ロボットの場合、RFBは腱と共に構築されました。腱が引っ張られると、傘の形が変わり、ロボットを上方に押し上げ、傘が緩むと再び沈みます。 

さらに重要なのは、クラゲロボットが亜鉛ヨウ化物（ZnI2）と亜鉛ブロミド（ZnBr2）という2つのレドックス電池を備えていることです。1つの電池のヨウ素に臭素を添加してイオン輸送を強化し、電池容量と出力密度を向上させました。その結果、クラゲロボットはより高速かつ機敏になり、約90分の稼働時間を実現しました。

現在、電池の電気基板上で樹枝状結晶が蓄積し充放電を妨げる問題を回避するため、研究者はグラフェンを利用しました。グラフェンを適用することで、結晶面と亜鉛の均一な析出をより適合させることができました。 

ワームロボットは区画化された設計を特徴としています。ワーム本体は相互に接続されたポッドの連続体で、各ポッドにはモーターと腱アクチュエータが内蔵され、ワームが形状を圧縮・拡張できます。また、各ポッドには陰極液に浸された陽極液パウチが積まれています。

設計の重要な要素は、乾燥接着法を用いてNafionセパレーターをワームのシリコーン-ウレタン共重合体本体に自動的に接合することでした。セパレーターは陽極液と陰極液を分離しつつ、電荷がそれらの間を移動できるようにし、モーターへ電子を駆動します。

「多くのロボットが油圧で駆動されていますが、我々は油圧流体をバッテリーとして使用する最初のチームであり、これによりロボット全体の重量が減ります。バッテリーがシステムへのエネルギー供給と動力提供という二つの役割を果たすからです。したがって、ワームのようにほぼすべてがエネルギーで構成され、長距離を移動できるのです。」

– シェパード

ワームロボットのテストにおいて、研究者は地面をゆっくり前進し、垂直パイプを上下に移動できることを確認しました。ロボットワームは閉じた曲がった経路をナビゲートし、上下に登ることができますが、速度はかなり遅く、他の油圧駆動ワームロボットよりは速いです。1回の充電で、ワームは35時間で105メートル移動します。

研究者によれば、ワームは長く狭い通路などの制約された環境の探査や修理作業に応用できる可能性があります。クラゲは海洋探査での利用が考えられます。 

海軍研究局とエネルギー省の基礎エネルギー科学プログラムの支援を受けた本研究は、まだ始まりに過ぎず、今後の研究は完全液体RFBに焦点を当てます。研究は、特に高エネルギー密度かつ低コストのポリ硫化物-ヨウ化物電池がソフトロボティクスへの応用に有望であると指摘しています。

最終的に、チームは高容量の具現化エネルギーロボットの構築を目指しています。将来のロボットは骨格を持ち、歩行も可能となり、人間に似たロボットになるでしょう。

「不完全な有機体だが、かなりうまく機能している。」

– シェパード

関連企業

それでは、ロボティクス分野の発展に貢献している上場企業をいくつか見てみましょう。 

1. iRobot Corporation

グローバルなコンシューマーロボット企業であるiRobotは、設計、製造、販売に携わっています。その製品にはRoomba、Braava、Rootが含まれ、iRobotは世界中で数千万台のロボットを販売しています。

時価総額2億3100万ドルのiRobot株は現在7.59ドルで取引されており、年初来で2.45％下落しています。EPS（TTM）は-4.60、P/E（TTM）比率は-1.64です。

最近、同社は2024年第4四半期の予備的財務結果を報告し、売上高は1億7100万ドル、GAAPベースの営業損失は5900万ドルと予想しています。また、2024会計年度末の現金及び現金同等物は約1億3400万ドルになると見込んでいます。

結果について、CEOのGary Cohenは「2025年の新製品発売前に売上促進を刺激するための季節的なプロモーション支出が予想以上に高かったことを反映している」と述べました。また、iRobotは「ロボットのイノベーション、開発、製造方法を根本的に変え、機能豊富なロボットで消費者を興奮させ、消費者製品体験を向上させることを目的とした製品発売計画は今年中に実施される」と語っています。

2. Teradyne

自動テスト装置とロボティクスソリューションのグローバルサプライヤーであるTeradyneは、半導体、ワイヤレス製品、ストレージ・航空宇宙・回路基板システム、ロボティクスの4つのセグメントで事業を展開しています。ロボティクス部門はロボットアーム、自律移動ロボット、先進的ロボット制御ソフトウェアをカバーしています。

同社は世界中で80,000台以上の先進的ロボットシステムを導入し、7億ドル以上を先進ロボティクスとオートメーションに投資しています。TeradyneのMiRロボットは内部輸送と資材搬送を効率化し、協働ロボットは幅広い用途をサポートします。そのオートメーションソリューションは、機械の力を統合することで企業の運用効率を向上させます。

時価総額187億4000万ドルのTeradyne株は現在116ドルで取引されており、年初来で8.61％下落しています。EPS（TTM）は3.32、P/E（TTM）比率は34.68です。同社は配当利回り0.42％を支払っています。

2024年第4四半期の売上高は7億5300万ドルで、そのうち9,800万ドルがロボティクス部門、残りは半導体部門からです。GAAPベースの純利益は1億4630万ドル、希薄化後1株当たり0.90ドルでした。

CEOのGreg Smithは、この成長を強力なAIコンピューティングと関連メモリ、そしてモバイル・自動車・産業部門が予想を上回ったことに帰すると述べました。今年の売上加速が見込まれており、Teradyneはロボティクス事業を戦略的に再編成して顧客体験を向上させ、運用効率を高める計画です。

3. Zimmer Biomet

グローバルな医療技術企業であるZimmer Biomet (ZBH ) は、生物製剤、スポーツ医療、四肢・外傷製品、外科製品、そしてデータ、データ分析、AIを活用したロボット技術のスイートに携わっています。 

時価総額220億ドルのZimmer Biomet株は現在110.10ドルで取引されており、年初来で4.72％上昇しています。EPS（TTM）は5.25、P/E（TTM）比率は21.07です。同社は配当利回り0.87％を支払っています。

2024年第3四半期、同社は売上高18億2400万ドルを報告し、前年同期比で4％増加しました。純利益は2億4910万ドルで、希薄化後1株当たり利益は1.23ドル、調整後希薄化後1株当たり利益は1.74ドルでした。この「好調な業績」に続き、CEOのIvan Tornosは、数百万人の人々の痛みを軽減し生活の質を向上させるという使命を引き続き推進すると述べました。

この期間中、同社は全股関節置換手術向けAI駆動外科ガイダンスシステムに注力する医療技術企業OrthoGrid Systemsを買収しました。また、足・足関節疾患治療のために11億ドルの取引で医療機器企業Paragon 28の買収も予定しています。

結論

自動化と効率への需要が高まるにつれ、ロボティクスの人気も上昇しています。この強い成長の背景で、ソフトロボティクスのサブフィールドは多くのイノベーションを生み出し、医療、探査、産業オートメーションに新たな応用を切り開いています。 

ソフトロボティクスの進化は、生物に触発された適応性と具現化エネルギーを組み合わせ、耐久性とエネルギー効率という長年の課題を克服する可能性を秘めています。政府のイニシアチブに支援された研究者がロボット設計と多機能電源を洗練させ続けることで、これらの機械は現実味を帯び、アクセシビリティ、効率、安全性を向上させています。

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