翼を生やすチョウから、殻を取り替えるヤドカリまで、多くの動物は生き延びるために外見上の特徴を変化させなければなりません。人間はそのような変態を遂げませんが、ロボットを含め、同じように適応力のある機能的な物体を作ろうとすることはよくあります。
とはいえ、「トランスフォーマー」の映画で見たことがあるかもしれませんが、今日のロボットは依然としてかなり柔軟性に欠けています。各部品は通常、構造が固定され、用途も一つに定められているため、多様な動作をこなすのは困難です。
MITコンピューター科学・人工知能研究所（CSAIL）の研究者たちは、まるでスーパーヒーローのような新しい変形ロボットで、この状況を変えようとしています。ロボットは異なる「衣装」に変身し、それぞれの衣装で異なる作業を行えます。
「Primer」と名付けられた立方体形のロボットは、磁石を使って制御でき、歩く、転がる、航行する、滑空するといった動作をします。これらの動作は、異なる外骨格を装着して行います。外骨格はプラスチックシートから作られ、加熱すると特定の形に折りたたまれます。作業を終えたPrimerは水に浸かることで「皮膚」を脱ぎ捨てられ、水が外骨格を溶かします。
「ロボットに何かを手伝ってもらいたいなら、作業ごとに別のロボットを用意するのはあまり効率的ではありません」と、CSAIL所長で本プロジェクトの主任研究者であるダニエラ・ラスは述べます。「変態に着想を得たこの方法なら、一台のロボットに状況に応じて使うさまざまな『アクセサリー』を持たせ、その能力を拡張できます。」
Primerにはさまざまな形態があり、それぞれに利点があります。たとえば「Wheel-bot」は車輪を備え、「Walk-bot」の2倍の速さで移動できます。「Boat-bot」は水に浮かび、自重のほぼ2倍の荷物を運べます。「Glider-bot」はより長い距離を滑空でき、ロボットの展開や環境の切り替えに役立つ可能性があります。
Primerは、ロシアの入れ子人形のように、一度に複数の衣装をまとうこともできます。外骨格を一つ装着して「Walk-bot」になり、さらに別の大型外骨格と連結すると、物を運び、毎秒、体長の2倍の距離を移動できます。2つ目の外骨格を展開するには、「Walk-bot」がシートの上に乗ります。すると、シートの4本の自己折りたたみ式アームがロボットを包み込みます。
「宇宙探査への将来的な応用を想像してみてください。外骨格を積み重ねた一台のロボットを火星に送り込めます」と、研究の共著者の一人である博士研究員のリー・シュグアンは述べます。「ロボットは異なる『衣装』をまとうことで、さまざまな作業を行えるでしょう。」
このプロジェクトは、ラスと、元CSAIL博士研究員で現在はヨーク大学マイクロロボティクス・グループのディレクターを務める宮下修平が主導しました。共著者にはリーと大学院生のスティーブン・ギトロンが名を連ねています。この研究に関する論文は、学術誌Science Roboticsに9月27日付で掲載されました。
ロボットの変態
Primerは、ラスのチームによるいくつかの先行プロジェクトを発展させたもので、その中には、磁気ブロックが自ら組み上がってさまざまな形になる研究や、長さ数センチのマイクロロボットをプラスチックシートから精密にカスタマイズできる研究が含まれます。
形や機能を変えられるロボットは、より大型のものでは開発されてきましたが、はるかに小さなスケールで同様の構造を作るのは一般に困難でした。
「今回の研究は、5種類の異なる機能を実現できる方式を示した点で、著者らの先行研究から前進しています」と、論文には関与していないマイクロロボティクスの専門家で、トロント大学機械工学部の助教であるエリック・ディラーは述べます。「従来の研究では、多くても『開いた形』と『閉じた形』のように、2つの機能を切り替えるだけでした。」
チームは、衣装を素早く着替えるだけで複数の動作をこなせるロボットの応用可能性を数多く示しています。たとえば、ある機材を小川の向こう岸へ運ぶ必要があるとします。複数の外骨格を持つ一台のロボットなら、小川を渡って航行し、対岸で物を運べる可能性があります。
「折り紙に着想を得た製造法によって、多用途で、入手しやすく、再利用可能なロボット部品を実現できることを、私たちの方法は示しています」と、MITのアンドリュー・アンド・エルナ・ヴィテルビ電気工学・コンピューター科学教授であるラスは述べます。
数時間で設計できる外骨格は、わずか数秒加熱するだけで折りたたまれて形になり、ロボットを迅速に製造する新しい方法となる可能性を示しています。
「こうした装置が『マイクロ工場』で使われる姿を想像できます。あらかじめ作られた部品や工具があれば、一台のマイクロロボットに、必要に応じて多くの複雑な作業をさせられるでしょう」とディラーは述べます。
次の段階として、チームは水中を進む、砂に穴を掘る、色をカモフラージュするなど、ロボットにさらに幅広い能力を持たせることを検討する予定です。ギトロンは、3Dプリント愛好家がThingiverseなどのサイトでアイデアを交換するのと同じように、ロボット工学のコミュニティが部品のオープンソース設計を共有する未来を思い描いています。
「いつか、さまざまな腕や付属部品を付けてロボットをカスタマイズできるようになると想像しています」とラスは述べます。「ロボット全体を更新する代わりに、一部分だけ更新すればよいのではないでしょうか。」
このプロジェクトは、米国国立科学財団の一部助成を受けました。
