科学者たちは、トンボの形をしたソフトロボットを開発しました。電子機器を使わず、翼に入る空気圧を制御して動きます。
このロボットは環境を感知する機能を備えており、水のpHや温度の変化に反応できます。
淡水の酸性化などの環境問題の監視や解決に役立つ可能性があります。
電子機器を使わない完全なソフトロボットであるトンボ型の機体は、水面を滑るように進み、pHや温度、油の存在といった環境条件に反応します。
この原理実証は、問題の兆候となりうるさまざまな現象を監視する、より高度で自律的な長距離環境監視ロボットの先駆けとなる可能性があります。
このソフトロボットについては、学術誌『Advanced Intelligent Systems』で紹介されています。
ソフトロボットは、その汎用性の高さから、業界でますます注目されています。柔らかい部品なら、金属やセラミックの部品では損傷させてしまう生体組織などの繊細な対象も扱えます。また、柔軟な機体であれば、ロボットを浮かせたり、剛体フレームでは動けなくなる狭い場所に入り込ませたりできます。
この分野の広がりは、デューク大学で生物医学工学、機械工学、材料科学、整形外科を担当する教授、Shyni Varghese氏の頭にもありました。そんな折、ひらめきが訪れました。
「空港からShyniにメールが届き、彼女の研究グループが以前開発した自己修復性ハイドロゲルを使い、自律的に反応して動くソフトロボットのアイデアがあると書かれていました」と、Varghese氏の研究室の博士課程学生で論文の筆頭著者であるVardhman Kumar氏は語ります。「でも、メールの内容はそれだけで、その後何日も彼女から連絡はありませんでした。そこで、時間ができて取り組めるようになるまで、そのアイデアはしばらく宙に浮いたままでした。Shyniに相談すると、ぜひ進めてと言われました。」
2012年、Varghese氏と研究室のメンバーは、自己修復性ハイドロゲルを開発しました。このゲルはpHの変化に数秒で反応します。ゲルにひびが入った場合も、隣り合う2つの部分をゲルで「塗り合わせた」場合も、酸性度が変化すると新たな結合が形成されます。この結合は、pHが元の値に戻ると完全に元に戻ります。
Varghese氏が急いで書き留めたアイデアは、このハイドロゲルを、水上を移動してpHが変化する場所を示すソフトロボットに応用する方法を見つけることでした。周囲の変化を知らせるためのほかの工夫も加えれば、自律型の環境センサーとなるロボットを研究室で設計できると考えました。
同じくVarghese氏の研究室に所属する博士研究員、Ung Hyun Ko氏の協力を得て、Kumar氏はハエをモデルにしたソフトロボットの設計を始めました。何度か試作を重ねた後、2人はトンボの形にすることにしました。機体内部にはマイクロチャネル網を設け、空気圧で制御できるようにしました。
全長約2.25インチ、翼幅1.4インチの機体は、アルミニウム製の型にシリコーンを流し込み、焼成して作りました。チームはソフトリソグラフィーで内部チャネルを作り、柔軟なシリコーンチューブで接続しました。
こうしてDraBotが誕生しました。
「電子機器を使わず、自己作動機構だけで、長距離にわたる空気圧制御にDraBotを反応させるのは困難でした」とKo氏は言います。「間違いなく、そこが最も難しい部分でした。」
DraBotは、翼に入る空気圧を制御して動きます。マイクロチャネルが前翼へ空気を送り、空気は一連の穴から後翼に向けて噴出します。後翼が両方とも下がっていると、空気の流れが遮られ、DraBotは動きません。一方、両方の翼が上がっていると、前進します。
制御性を高めるため、チームはDraBotの胴体近くにある後翼の下に、風船型アクチュエーターも設計しました。膨らむと風船が翼を上向きに反らせます。どの翼を上げるか下げるかを変えることで、研究者はDraBotの進む方向を制御します。
「DraBotを制御できたときはうれしかったです。でも、生き物をモデルにしています」とKumar氏は言います。「生き物はただ自分で動き回るだけではなく、環境に反応します。」
そこで自己修復性ハイドロゲルが役立ちます。翼の片側にこのゲルを塗ることで、研究者たちは周囲の水のpH変化にDraBotを反応させることができました。水が酸性になると、片側の前翼が後翼と融合します。指示どおり直進する代わりに、翼の不均衡によってロボットは旋回します。pHが通常の値に戻ると、ハイドロゲルは「修復状態を解除」し、融合していた翼が分離して、DraBotは再び指令に完全に反応するようになります。
環境を感知する能力を高めるため、研究者たちは翼の下にあるスポンジを活用し、温度に反応する素材を翼に加えました。水面に油が浮かぶ場所をDraBotが進むと、スポンジが油を吸収し、その油に対応する色に変わります。また、水温が高くなりすぎると、DraBotの翼は赤から黄色に変わります。
研究者たちは、こうした測定機能が将来、環境監視用のロボットセンサーで重要な役割を果たすと考えています。pHへの反応によって、地質学的に影響を受けやすい複数の地域で深刻な環境問題となっている淡水の酸性化を検知できます。油を吸収する能力があるため、長距離を移動するこうした水面滑走ロボットは、油流出の早期発見に理想的な候補です。温度に応じて色が変われば、赤潮やサンゴ礁の白化の兆候を捉えるのに役立つ可能性があります。白化は水生生物の個体数減少につながります。
第四次産業革命に向けて、世界経済フォーラムはどのような取り組みを行っているのでしょうか。
フロンティア技術・イノベーションセンターは、科学者、政策立案者、ビジネスリーダーを結び付け、新興技術とその現実世界への影響を理解するための取り組みを進めています。
連携と実験を促すことで、同センターはパートナーが研究から生まれたイノベーションを、共通の地球規模課題に取り組む実用的な応用へとつなげる支援をしています。
チームは、概念実証を改善する方法も数多くあると考えています。無線カメラや固体センサーを使えば、DraBotの機能を高められる可能性があります。また、機体に推進剤を搭載する仕組みを作れば、同様のロボットがチューブから離れて動けるようになります。
「翼の制御に空気圧を使う代わりに、エネルギーを生み出す何らかの合成生物学を利用する方法も考えられます」とVarghese氏は言います。「私の専門とはまったく異なる分野なので、何が可能か、協力してくれそうな人たちと話し合う必要があります。でも、こうした学際的なプロジェクトに取り組む楽しさの一つはそこにあります。」
研究者たちは主に、デューク大学のShared Materials and Instrumentation Facility（SMIF）でこの研究を行いました。同施設は、全米ナノテクノロジー連携基盤（NNCI）の一環として、米国国立科学財団の支援を受ける共用施設です。
