ソフトロボットの実現に向けたしなやかさの研究

東京工業大学や千葉大学などが共同して行う「しなやかな体」の研究は、自然に適応しながら進化してきた鳥や昆虫などの動きを参考にして、変形や変化に対応する飛行ロボットの研究を進めている。現在の代表的な飛行ロボットであるドローンは、硬くて薄いプロペラを高速に回転させて制御している。プロペラが人間に直接当たると危険なので、飛行は人間から離れて制御される。

ドローンは飛行中、常にセンサーで気流の状態や自分の姿勢を読み取りながら、安定して飛行できるように制御されている。これに対して、柔らかな羽根と骨格を持つ鳥は、気流に応じて羽根の形を変形させることで姿勢を安定させているのではないかと推測されている。そのように柔軟でしなやかな制御によって、長時間飛行を続けながら砂漠や大陸を渡り、乱れた風の中でも安定した飛行を可能にする。また、捕食者や獲物に悟られないように静かに飛行できる。

そういった、鳥が身に付けてきた特技を研究して作られたのが、ハチドリのメカニズムを模した「羽ばたき飛行ロボット」だ(写真1)。メカニズムだけでなくハチドリの羽根の構造やデザインも研究し、小さく俊敏な飛行ロボットをしなやかな翼や骨格を利用して再現する。このようなソフトロボットが実用化できれば、屋内や人工密集地、災害現場などといった入り組んだ場所でも、人間やさまざまな物の探索が可能になる。

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(写真1)東京工業大学と千葉大学、山階鳥類研究所が共同で研究する「羽ばたき飛行ロボット」。ハチドリが持つ羽ばたき機構を模しており、重さ約4グラムで、ロール、ピッチ、ヨーの3方向で姿勢を制御する

現在のドローンはセンサーによる緻密な制御が必要になり、気流などの自然環境に逆らう変化を力で抑え込んで飛行している。ソフトロボットが実現する次世代ドローンは、柔らかくて可変形状を持つことで自然環境に逆らわず環境を利用するデザインとし、人間に優しく自然エネルギーを効率よく利用できるようになる。

千葉大学特任助教の中田敏是氏は、「今存在する生物の姿が、もっとも環境に適応しているわけでもない」と語る。生物は長い年月の進化を続けてきた結果、現在ある姿になったが、それは方向性の1つに過ぎず、もっと環境に適応した進化の方向性もあったかもしれない。したがって、「ソフトロボットの研究では、生物のメカニズムをそのまま模倣するのではなく、生物のエッセンスを抽出して機能を生かすことが重要」(中田氏)。

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(写真2)芝浦工業大学が研究する「柔らかいモーター」。ゴムのように柔らかい素材に電圧をかけることで回転させるので、発熱も騒音もない

芝浦工業大学准教授の前田真吾氏が中心となって研究を進めている柔らかいモーターは、ゴムと電気を基礎とした機械だ。電圧をかけることで伸縮変形する「誘電エラストマー」という素材を使い、その動きを回転の動きに変えてモーターとして利用する(写真2)。誘電エラストマーは柔らかいので安全だし、外部からの力によって変形もできる。

誘電エラストマーによって実現されたモーターは、従来からある電動モーターと比べて発熱しないので排熱の必要がなく、他にも騒音がない、エネルギー効率が良いなどのメリットがある。現時点での実験結果では、単位重量当たりのトルクは小型電動モーターの10から100倍あるという。

「いいかげん」を許容して「好いかげん」を実現する

「ソフトロボット学の創成」プロジェクト領域代表の東京工業大学教授の鈴森康一氏によると、そもそもソフトロボットは1980年代に日本を中心に研究が始まった分野であるという。その後、2007年頃からアメリカでも研究ブームが始まり、世界的に広がっていった。

鈴森氏は「科学技術は今、ターニングポイントに来ている」と語る。人類は災害や疫病など、自然の脅威や外敵などから身を守って生き延びたり、社会を豊かに発展させることを目的として、科学技術を駆使してきた。その結果、人類はあるレベルの脅威までは科学の力で抑えたり、避けたりできるようになった。それによって、人類が未来に向かって求める科学のベクトルが、パワーや確実性を求めるのではなく、優しさや適応性、柔軟性を求める方向に変わりつつあるという。「そういうターニングポイントに、ソフトロボット学の創成が求められている」(鈴森氏)。

ソフトロボットのキーワードは「いいかげん」である。自然界もいいかげんを許容することで進化してきた。生物も遺伝子コピーのエラーが受け入れられたからこそ、突然変異が生まれ進化につながった。

力をかけると撓んでしまうようなロボットアームは、これまでは設計の失敗と見られてきた。相手任せで自分の形が変わってしまうような不安定な材料は、これまでのロボットには使われなかった。しかし、ソフトロボットでは「いいかげん」を「好いかげん」に変える。今までの観点では設計はできなかった、いいかげんさを許容して、むしろ積極的に活用する。「環境に合わせてしなやかに動き、適応性があるアプローチによって、新しいロボティクスの可能性が広がる」(鈴森氏)。