4足歩行の群行動ロボットの製作に成功

4足歩行の群行動ロボットの製作に成功 テクノロジー

ノートルダム大学の電気工学助教授であるYasemin Ozkan-Aydin氏は、ロボット工学のエンジニアとして、生物システムからインスピレーションを得ています。

アリやミツバチ、鳥が問題を解決したり、障害物を乗り越えたりするために行う集団行動は、研究者が空中や水中のロボット工学で培ってきたものです。

しかし、複雑な地形を横断する能力を備えた小型の群行動ロボットを開発するには、独特の課題があります。

Science Robotics誌に掲載されたこの研究で、Ozkan-Aydin氏は、自然界を模倣して、困難な環境で操縦し、困難なタスクを集団で達成できる多脚ロボットを構築することができたことを紹介しています。

Ozkan-Aydin氏は、「脚式ロボット1移動のために機械的な手足を使用する移動ロボットの一種です。は、不整地や狭い場所などの困難な環境を移動することができ、手足を使うことで効果的に体を支え、迅速な操縦を可能にし、障害物の横断を容易にします。しかし、脚式ロボットは、地上環境における独特の移動性の問題に直面しており、その結果、運動性能が低下してしまいます。」と述べています。

今回の研究では、個々のロボットを物理的に接続することで、地上の脚部集団システムの機動性を高めることができるという仮説を立てました。

個々のロボットは、滑らかな面の上を移動したり、軽い物体を運んだりといった単純または小さなタスクを実行しますが、タスクが単体の能力を超えている場合は、ロボット同士を物理的に接続してより大きな多脚システムを形成し、集合的に問題を克服します。

「蟻が物を集めたり運んだりするとき、一匹が障害物にぶつかると、集団でその障害物を乗り越えようとします。例えば、道に隙間があれば、他のアリが渡れるように橋を作ります。これが今回の研究のヒントです。ロボット工学を通して、このような生物システムのダイナミクスや集団行動をより深く理解し、将来的にこのような技術をどのように利用できるかを模索しています。」

Ozkan-Aydin氏は、3Dプリンタを使って、全長15~20cm(約6~8インチ)の4本足のロボットを製作しました。

それぞれのロボットには、リチウムポリマー電池、マイクロコントローラー、3つのセンサー(前面に光センサー、前面と背面に2つの磁気タッチセンサー)が搭載されており、ロボット同士の接続が可能です。

4本のフレキシブルな脚は、追加のセンサーや部品の必要性を減らし、ロボットに機械的な知性を与えることで、荒れた土地や不整地での活動に役立ちました。

Ozkan-Aydin氏は、「脚の柔軟性によってロボットが障害物を通ることができるため、障害物を検知するための追加のセンサーは必要ありません。蟻と同じように、さまざまな種類の環境で、道の隙間を調べて体で橋をかけたり、個別に物を動かしたり、連結してまとめて物を動かしたりすることができます。」

Ozkan-Aydin氏は、コロナパンデミックの影響で国の大半が閉鎖された2020年初頭に、この研究のための調査を開始しました。

それぞれのロボットを3Dプリンタで印刷した後、彼女はそれぞれのロボットを作り、自宅の庭や息子と一緒に遊び場で実験を行いました。

ロボットは、芝生、マルチング材、葉っぱ、どんぐりの上でテストされました。

平地での実験はパーティクルボード2木材の小片を接着剤と混合し熱圧成型した木質ボードの一種の上で行い、階段は発泡スチロールで作りました。

また、カーペットの上では、パーティクルボードに長方形の木のブロックを接着して悪路を作ってみました。

1台のロボットが動けなくなると、追加のロボットに信号が送られ、ロボット同士が連携してサポートすることで、集団作業をしながら障害物をうまく乗り越えていくことができました。

Ozkan-Aydin氏は、今回の設計にはまだ改良の余地があると言います。

しかし、今回の研究で得られた知見は、不測の事態に適応し、捜索救助活動、物体の集団輸送、宇宙探査、環境モニタリングなどの現実的な協力作業を行うことができる、低コストの脚式群行動ロボットの設計に役立つものと期待しています。

また、このシステムを使って、アリやシロアリなどの昆虫の集団的なダイナミクスを調べる予定です。

「このシステムを使って、アリやシロアリなどの昆虫の集団行動を調べる予定です。より多くの電力を供給できる小型のバッテリーが必要で、理想的には10時間以上の持続性が必要です。そうでなければ、この種のシステムを実世界で使用することは持続不可能です。さらに、ロボットのサイズを小さくするためには、より多くのセンサーとより強力なモーターが必要となります。現実の世界でロボットがどのように機能するかを考える必要があり、そのために必要な電力や使用するバッテリーのサイズを考える必要があります。すべてが限られているので、機械のすべての部分で決断を下す必要があります。」

ジョージア工科大学のDaniel I. Goldman氏が共同執筆しています。

Published by University of Notre Dame. Yasemin Ozkan-Aydin et al, Self-reconfigurable multilegged robot swarms collectively accomplish challenging terradynamic tasks, Science Robotics (2021). DOI: 10.1126/scirobotics.abf1628