MITの研究者たちは、将来的には機械の巣箱から飛び出して、素早く正確な受粉を行うことができるロボット昆虫を開発している
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ロボット昆虫により効率的な人工授粉を可能にし、将来の農家は多層倉庫内で果物や野菜を栽培し、環境への農業の有害な影響を軽減しながら収量を増やすことができるとしている。
しかし、耐久性、速度、操縦性においては、最高の虫サイズのロボットでさえ、ミツバチのような自然の受粉媒介者にはかなわない。現在、これらの自然の受粉者の解剖学に触発されて、研究者たちは以前のバージョンよりもはるかに機敏で耐久性のある、小型の航空ロボットを製造するために設計を見直した。
新しいロボットは約1,000秒間ホバリングでき、これは以前に実証されたよりも100倍以上長い。ペーパークリップよりも軽いロボット昆虫は、空中でのダブルフリップのようなアクロバットな動きをこなしながら、同様のロボットよりも大幅に速く飛行できる。
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改良されたロボットは、人工の翼の屈曲部への機械的ストレスを最小限に抑えながら、飛行の精度と機敏性を向上させるように設計されており、これにより、より高速な操縦、耐久性の向上、および寿命の延長が可能になる。
新しい設計では、ロボットが研究室外で自律的に飛行できるよう、小さなバッテリーやセンサーを搭載できる十分な空きスペースもある。
電気工学およびコンピュータサイエンス学科（EECS）の准教授であり、電子工学研究所（RLE）内のソフトおよびマイクロロボティクス研究所の所長であり、新しい設計に関するオープンアクセスの論文の筆頭著者であるケビン・チェン氏は、次のようにコメントしている。
チェン氏：この論文で実証した飛行時間は、おそらくこの分野でこれらのロボット昆虫を使って蓄積できた飛行時間の合計よりも長いでしょう。このロボットの寿命と精度が向上したことで、私たちは補助受粉のような非常にエキサイティングな応用に近づいています。
チェン氏は、EECSの大学院生である共同筆頭著者のスハン・キム氏とイー・シュアン・シャオ氏、およびEECSの大学院生であるジジャン・レン氏と夏季訪問学生であるジアシュ・フアン氏も執筆に参加している。この研究は、Science Roboticsに掲載された。
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パフォーマンスの向上
以前のバージョンのロボット昆虫は、それぞれ2つの翼を持つ4つの同一のユニットで構成されており、マイクロカセットほどの大きさの長方形のデバイスに組み込まれていた。
チェン氏：しかし、8つの翼を持つ昆虫はいません。私たちの古い設計では、個々のユニットのパフォーマンスは常に組み立てられたロボットよりも優れていました。
このパフォーマンスの低下は、翼の配置によって部分的に引き起こされていた。翼が羽ばたくときに互いに空気を吹き込み合い、発生させることができる揚力を減少させていた。
新しい設計では、ロボットを半分に切断する。4つの同一のユニットのそれぞれが、ロボットの中心から離れるように1つの羽ばたき翼を持ち、翼を安定させ、揚力を高めている。この設計では、翼の数が半分になったため、ロボットが電子機器を搭載できるようにするためのスペースも空く。
さらに、研究者たちは、翼を羽ばたかせるアクチュエーター、つまり人工筋肉に翼を接続する、より複雑な伝達機構を作成した。より長い翼のヒンジの設計を必要としたこれらの耐久性のある伝達機構は、過去のバージョンの耐久性を制限していた機械的歪みを減少させる。
チェン氏：古いロボットと比較して、現在は以前の3倍の制御トルクを生成できるため、非常に洗練された非常に正確な経路探索飛行を実行できます。
しかし、これらの設計革新があっても、最高のロボット昆虫と本物の昆虫の間にはまだギャップがある。たとえば、ミツバチは2つの翼しか持っていないが、迅速かつ高度に制御された動きを実行できる。
チェン氏：ミツバチの翼は、非常に洗練された筋肉のセットによって細かく制御されています。そのレベルの微調整は、私たちを本当に惹きつけますが、まだ再現できていません。
歪みを減らし、力を高める
ロボットの翼の動きは、人工筋肉によって駆動される。これらの小さなソフトアクチュエーターは、2つの非常に薄いカーボンナノチューブ電極の間に挟まれたエラストマーの層から作られ、その後、グニャグニャしたシリンダーに丸められている。アクチュエーターは急速に圧縮および伸長し、翼を羽ばたかせる機械力を生成する。
以前の設計では、アクチュエーターの動きが飛行に必要な非常に高い周波数に達すると、デバイスが座屈し始めることが多かった。これにより、ロボットの出力と効率が低下する。新しい伝達機構は、この曲げ座屈運動を抑制し、人工筋肉への歪みを減少させ、翼を羽ばたかせるためにより多くの力を加えることができるようにする。
もう1つの新しい設計は、羽ばたき翼運動中に経験するねじり応力を低減する長い翼のヒンジを使用している。直径がわずか200ミクロンの約2センチメートルのヒンジの製造は、彼らの最大の課題の1つだった。
チェン氏：製造プロセス中にわずかな位置ずれの問題が発生した場合でも、翼のヒンジは長方形ではなく傾斜し、翼の運動学に影響を与えます。
多くの試みの後、研究者たちは、各翼のヒンジを正確に製造できる多段階のレーザー切断プロセスを完成させた。
4つのユニットすべてが所定の位置にあると、新しいロボット昆虫は、飛行精度の低下を示すことなく、1,000秒以上、つまりほぼ17分間ホバリングできる。
チェン氏：私の学生のネモがその飛行を行っていたとき、彼はそれが彼の人生で最も遅い1,000秒だったと言っていました。その実験は非常に神経をすり減らすものでした。
新しいロボットはまた、毎秒35センチメートルの平均速度に達し、これは研究者たちが報告した最速の飛行速度であり、同時に体の回転やダブルフリップを実行した。また、「M-I-T」の文字を正確に追跡することもできる。
チェン氏：最終的に、私たちはこの分野の他の誰もが達成できたよりも100倍長い飛行を実証しました。これは非常にエキサイティングな結果です。
ここから、チェンと彼の学生たちは、10,000秒以上の飛行を達成することを目標に、この新しい設計をどこまで押し進めることができるかを確認したいと考えているという。
また、ロボットが花の真ん中に着陸して離陸できるように、ロボットの精度を向上させたいと考えている。長期的には、研究者たちは、空中ロボットに小さなバッテリーとセンサーを設置して、研究室外で飛行し、ナビゲートできるようにしたいと考えている。
チェン氏：この新しいロボットプラットフォームは、私たちのグループからの主要な成果であり、多くのエキサイティングな方向につながります。たとえば、センサー、バッテリー、コンピューティング機能をこのロボットに組み込むことは、今後3〜5年間で中心的な焦点になります。
この研究は、米国科学財団およびMathworksフェローシップによって一部資金提供されている。
