例えば、マルハナバチは不器用な飛翔体で、1秒間に約1回、花にぶつかるといわれている。そのたびに翅が傷むが、マルハナバチは羽に小さな裂け目や穴がたくさんあっても、飛ぶことができるという。
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一方、空中ロボットは、そう簡単にはいかない。翼のモーターに穴を開けたり、プロペラの一部を切り落としたりすれば、間違いなくロボットは墜落する。
MITの研究者たちは、マルハナバチの丈夫さにヒントを得て、虫サイズの空中ロボットが、翼を動かすアクチュエーター（人工筋肉）に大きなダメージを受けながらも、効率よく飛行できるような修復技術を開発したという。
この人工筋肉を最適化することで、ロボットは欠陥をよりよく分離し、アクチュエーターに開いた穴のような小さな損傷を克服することができるようになった。さらに、火災による損傷などの深刻なダメージからロボットを回復させるために、新しいレーザー修復法を実証した。
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また、アクチュエーターに大きな穴が開いても、アクチュエーターは作動可能になったほか、翼端の20パーセントを切断しても、飛行を続けることができたという。
これにより、倒壊したビルや密林の中を捜索するような過酷な環境下でも、小型ロボットの群れがタスクを遂行できるようになるかもしれないという。
電気工学・コンピュータサイエンス学科（EECS）の助教授兼、エレクトロニクス研究所（RLE）のソフト・マイクロロボット研究所の所長であり、この最新技術に関する論文の主執筆者である Kevin Chen氏は次のようにコメントしている。
Chen氏：新しい製造方法と新しい理解の両方によって、昆虫に匹敵するレベルの損傷に対する回復力を示すことができました。私たちは、このことにとても興奮しています。しかし、昆虫は、翼の40パーセントまで失ってもなお飛ぶことができるという意味で、私たちよりまだ優れています。私たちはまだ、追いつくための仕事をしなければなりません。
Chen氏は、EECS大学院生のSuhan Kim氏とYi-Hsuan Hsiao氏、ポスドクのYounghoon Lee氏、化学工学科の大学院生Weikun "Spencer" Zhu氏、EECS大学院生のZijian Ren氏、MITのEECSのEE Landsmanキャリア開発助教授でありRLEのメンバーであるFarnaz Niroui氏と共に論文を執筆。この論文は「Science Robotics」に掲載された。
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ロボットの修理技術
MITの研究者が開発した修復技術により、このマイクロロボットは、翼を動かす人工筋肉が10本の針で刺され、片方の翼端の20％が切断された後でも、飛行レベルの性能を維持することができる。
Chen氏の研究室で開発されている小さな直方体のロボットは、マイクロカセットテープとほぼ同じ大きさと形をしているが、あるロボットの重さはペーパークリップよりもやや重い。各コーナーの翼は、誘電体エラストマーアクチュエーター（DEA）を動力源としている。これは柔らかい人工筋肉で、機械的な力を使って翼を素早く羽ばたかせることができる。この人工筋肉は、エラストマーの層を2つの極薄の電極で挟み込み、ぐにゃぐにゃの筒状にしたものだという。DEAに電圧をかけると、電極がエラストマーを圧迫し、翼が羽ばたく。
しかし、微細な欠陥があると、火花が散ってエラストマーが焼け、装置が故障してしまうことがある。15年ほど前、研究者たちは、セルフクリアと呼ばれる物理現象を利用して、1つの小さな欠陥からDEAの故障を防ぐことができることを発見した。このプロセスでは、DEAに高電圧をかけると、小さな欠陥の周りの局所電極が切断され、その欠陥が他の電極から隔離されるため、人工筋肉はまだ機能する。
Chen氏と共同研究者たちは、このセルフクリアリングプロセスをロボット修理技術に採用した。
まず、DEAの電極を構成するカーボンナノチューブの濃度を最適化した。カーボンナノチューブは、超強力だが非常に小さな炭素のロールである。電極に含まれるカーボンナノチューブの数が少ないと、高温になって燃え尽きやすくなるため、セルフクリアが向上する。しかし、その分、アクチュエーターの出力密度は低下するという。
Chen氏：しかし、ロボットを飛ばすためには、多くのエネルギーとパワーが必要です。この2つの制約の間にある最適なポイントを見つける必要がありました。つまり、ロボットをまだ飛ばしたいという制約のもとで、自己クリアリング特性を最適化するのです。
しかし、最適化されたDEAであっても、大きな穴が開いて空気が入りすぎてしまうなど、深刻なダメージを受けると失敗してしまう。
Chen氏と彼のチームは、大きな欠陥を克服するためにレーザーを使用した。レーザーで大きな欠陥の外側の輪郭に沿って慎重にカットし、周囲に小さな損傷を与えるのです。そして、自己消去法でわずかに損傷した電極を焼き切ることで、大きな欠陥を切り離すことができる。
Chen氏：ある意味、私たちは筋肉を手術しようとしているのです。しかし、もし十分な電力を使わなければ、欠陥を分離するのに十分なダメージを与えることができません。一方、出力が大きすぎると、レーザーがアクチュエーターに大きなダメージを与えてしまい、クリアにできなくなります。
研究チームはすぐに、このような小さなデバイスを「操作」する場合、電極を観察して欠陥の分離に成功したかどうかを確認するのは非常に困難であることに気づいた。そこで研究チームは、これまでの研究を参考に、アクチュエーターに蓄光粒子を組み込んだ。これで、光ればアクチュエーターの一部が動作していることがわかり、暗ければその部分の分離に成功したことになる。
飛行テスト成功
何本もの針で刺されたものや、穴が開いたものなど、破損したアクチュエーターを使って実験を行い、羽ばたきや離陸、ホバリングなどの性能を測定。そして、羽ばたき、離陸、ホバリングの各実験で、ロボットの性能を測定した。
損傷したDEAでも、修理技術により、高度、位置、姿勢の誤差は損傷していないロボットの誤差からごくわずかにずれるだけで、飛行性能を維持することができた。レーザー手術によって、修理不可能なほど壊れていたはずのDEAが、87％の性能を回復することができたという。
Chen氏：私は、ロボットを飛ばすときにたくさんの苦労をした2人の学生を褒め称えなければなりません。ロボットを自分で飛ばすのはとても大変なことです。ましてや今は、意図的にダメージを与えているわけですから。
この修理技術によって、小さなロボットはより頑丈になった。そのため、Chen氏たちは現在、花に着地したり、群れで飛行したりといった新しい機能をロボットに教えることに取り組んでいる。
また、ロボットがよりよく飛行できるように、新しい制御アルゴリズムを開発し、ロボットが一定の方位を保てるようにヨー角の制御を教え、ロボットに小さな回路を搭載できるようにし、長期的には自前の電源を搭載することを目標としているという。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の機械・航空宇宙工学科の准教授で、この研究には携わっていないNick Gravish氏は次のようにコメントしている。
Gravish氏：この研究は、小型の飛行ロボットや昆虫が常に環境と衝突していることから、重要な意味を持ちます。小さな突風は、小さな昆虫やロボットにとって大きな問題になりかねません。このように、自然環境でこのようなロボットを使用できるようになることを望むなら、その回復力を高める方法が必要です。
この論文は、ソフトなアクチュエーションとボディメカニクスが損傷に適応できることを実証しており、素晴らしい前進だと思います。
この研究は、全米科学財団（NSF）およびMathWorks Fellowshipから一部資金提供を受けているという。
