現在、約50万個の人工物体の破片が宇宙空間を飛び交い、時速最大1万7,500マイルで地球を周回している。これらの破片は、人工衛星や宇宙船、宇宙飛行士に脅威をもたらしている。
清掃が特に難しいのは、破片が宇宙空間に存在するためだ。吸盤は真空中では機能しない。テープなど従来の粘着物質は、接着に使われる化学物質が極端な温度変化に耐えられないため、ほとんど役に立たない。磁石が使えるのは、磁性を持つ物体だけだ。
デブリ捕獲用の銛を含む、提案されている解決策の多くは、破片との強い接触を必要とするか、そうした接触を引き起こす。その結果、物体が意図しない予測不能な方向へ押し出されるおそれがある。
「ランデブーやドッキング、軌道上デブリの低減など、これが役立つミッションは数多くあります。」
この問題に取り組むため、研究者たちは破片をつかんで処分する新しいタイプのロボット把持装置を設計した。この装置については、Science Roboticsに詳述されている。
「私たちが開発したのは、ヤモリに着想を得た接着材を使う把持装置です」と、筆頭著者でスタンフォード大学の機械工学教授、マーク・カトコスキーは語る。「これは、ヤモリが壁に張り付く仕組みに着想を得た接着材を使う、登攀ロボットの研究として約10年前に始めた仕事の発展形です。」
研究チームは研究室と、国際宇宙ステーションを含む複数の無重力実験施設で、把持装置とその小型版を試験した。初期試験で有望な結果が得られたことから、研究者たちは次の段階として、ステーションの外で把持装置がどのように機能するかを検討している。
「ランデブーやドッキング、軌道上デブリの低減など、これが役立つミッションは数多くあります」と、NASAジェット推進研究所の極限環境ロボティクス・グループを率いるアーロン・パーネスは語る。「将来的には、宇宙船内を這い回り、修理や撮影、欠陥の確認を行う登攀ロボットの補助機も開発できるでしょう。」
この接着材はこれまで、登攀ロボットや、人が特定の表面を登れるようにするシステムにも使われてきた。着想のもとになったヤモリは、足にある微細なひだを表面に密着させることで、足と表面の間にファンデルワールス力を生み出し、壁を登ることができる。これは、分子の外側にある電子の位置のわずかな違いから生じる、弱い分子間力だ。
この把持装置はヤモリの足ほど精巧ではない。接着材のひだは幅約40マイクロメートルで、ヤモリのひだは約200ナノメートルだ。それでも、ヤモリに着想を得た接着材はほぼ同じ仕組みで機能する。
ヤモリの足と同様、ひだを特定の方向に押したときだけ粘着するが、粘着させるのに必要なのは正しい方向への軽い押しだけだ。この特性は、宇宙用把持装置が担う作業に適している。
ロボットのハグ
「浮遊する物体に感圧接着材を押し付けようとすると、その物体は漂い去ってしまいます」と、共著者でカリフォルニア大学サンタバーバラ校からの客員助教、エリオット・ホークスは語る。「その代わりに、接着パッドを浮遊する物体にそっと触れさせ、パッド同士を押し合わせてロックすれば、物体を動かせるようになります。」
パッドは同じように穏やかな動きでロックが解除され、物体に加わる力はごくわずかだ。
研究者たちが作製した把持装置は、前面に接着材の四角いパッドを格子状に配置し、両側からロボットの中央へ向かって折り畳み、動かせる細い接着ストリップ付きのアームを備えている。まるでハグをするような形だ。格子状のパッドはソーラーパネルのような平らな物体に貼り付き、アームはロケットの機体のような曲面の物体をつかめる。
研究で最も大きな課題の一つは、接着材にかかる荷重を均等に分散させることだった。研究者たちは小さなパッドを滑車機構でつなぐことでこれを実現した。この機構はパッドのロックと解除も担う。機構がなければ、荷重の偏りによってパッドが一つずつ剥がれ、最後には把持装置全体が外れてしまう。この荷重分散機構により、一部のパッドが貼り付かない欠陥のある表面でも把持装置を使える。
研究チームは、把持装置を柔軟な状態と硬い状態に切り替えられるようにも設計した。
「浮遊する物体をつかむ場面を考えると、物体を押しのけないよう、できるだけ柔軟にその形に沿う必要があります」と、カトコスキー研究室の大学院生で論文の筆頭著者、ハオ・ジャンは語る。「つかんだ後は、腕と物体の間に遅れや遊びを感じないよう、操作を非常に硬く、正確にしたいのです。」
研究チームはまず、カトコスキー研究室で把持装置を試験した。どれほどの荷重に耐えられるか、さまざまな力やトルクを加えたときに何が起きるか、何回貼り付けたり剥がしたりできるかを詳しく測定した。ジェット推進研究所（JPL）との連携を通じて、研究者たちは無重力環境でも把持装置を試験した。
JPLのロボドームでは、接着材を付けた小さな長方形のアームを大型ロボットに取り付け、その改造ロボットを巨大なエアホッケー台のような床に載せて、二次元の無重力環境を再現した。
その後、摩擦のない床の上でロボットを滑らせ、同型のロボットを捕らえて動かそうと試みた。
「一方のロボットで別のロボットを追いかけ、捕らえ、望む方向へ引き戻しました」とホークスは語る。「比較的小さな接着材のパッチで、300キログラムのロボットを引っ張って動かせたのを見たのは、まさに目を見張る経験でした。」
次にジャンとパーネスは、無重力下で把持装置を試験するため、放物線飛行を行う航空機に乗り込んだ。2日間にわたり、上昇と降下を80回繰り返し、機内では約20秒間の2G状態と約20秒間のゼロG状態が交互に生じた。把持装置は立方体と大きなビーチボールをつかんで離すことに成功し、離したときに物体がほとんど動かないほど穏やかに触れることができた。
最後に、パーネスの研究室が小型の把持装置を開発し、国際宇宙ステーション（ISS）へ打ち上げた。そこで、把持装置がステーション内でどの程度機能するかを試験した。
把持装置の次の段階では、宇宙ステーション外での試験に向けた準備を進める。高い放射線量や極端な温度に耐えられる、より長持ちする材料を使った版の製作も含まれる。現在の試作品はレーザーで切断した合板製で、輪ゴムも使っているが、宇宙空間では脆くなる。ISSの外で試験するには、より頑丈なものを作る必要があり、ロボットアームの先端に取り付ける設計になる可能性が高い。
地球に戻ったカトコスキーは、接着材をより低コストで大量生産できるようになることも期待している。いつかヤモリに着想を得た接着材が、マジックテープと同じくらい普及するかもしれないと考えている。
この研究は、NASA、全米科学財団、サムスン奨学金の資金提供を受けた。
