ロボットの魚がマグロのように泳ぐためには、尾の硬さをリアルタイムに変える必要がある。

研究者たちは何年も前から魚のロボットを作ってきましたが、その性能は本物の魚の効率には及びませんでした。©Daniel Quinn テクノロジー

著者情報:Daniel Quinn氏, バージニア大学機械・航空宇宙工学助教授

水中の乗り物は、第二次世界大戦中の潜水艦からあまり変わっていません。

剛性が高く、箱型で、プロペラを使って移動します。

また、大型の有人船であれ、小型のロボットであれ、ほとんどの水中の乗り物には、エネルギー効率が最も良い巡航速度があります。

一方、魚は水中での移動方法が大きく異なります。

魚の体やヒレは非常に柔軟で、この柔軟性によって、硬い機械よりも効率的に水と相互作用することができます。

研究者たちは、魚のような柔軟なロボットを何年もかけて設計・製造してきましたが、効率の面では本物の魚には遠く及びません。

何が足りないのでしょうか?

私はエンジニアで、流体力学を研究しています。

研究室の仲間と私は、魚のしっぽの柔軟性に何か特別な要素があるからこそ、魚は水中であれほど速く、効率的に行動できるのではないかと考えました。

そこで、モデルを作り、ロボットを作って、泳ぎの効率に対する剛性の影響を調べました。

その結果、魚がさまざまな速度で効率よく泳げるのは、尾の硬さや柔軟性をリアルタイムで変えられるからだとわかりました。

レオナルド・ダ・ヴィンチは、1481年にプロペラ付きのヘリコプターを設計した。

レオナルド・ダ・ヴィンチは、1481年にプロペラ付きのヘリコプターを設計した。©Leonardo Da Vinci/WikimediaCommons

なぜ今でもプロペラが使われているのか?

流体力学は液体にも気体にも当てはまります。

レオナルド・ダ・ヴィンチはヘリコプターの設計にプロペラの概念を取り入れ、1830年代にはプロペラ付きの船が初めて作られました。

プロペラは簡単に作ることができ、設計された巡航速度であれば問題なく動作します。

しかし、ソフトロボティクスの進歩により、柔軟な部品を能動的に制御することが現実のものとなったのは、ここ数十年のことです。

今、海洋ロボット研究者たちは、柔軟な魚とその驚異的な泳ぎの能力にヒントを得ています。

私のようなエンジニアが水泳ロボットの柔軟性について語るとき、通常は魚の尾の硬さについて言及します。

尾とは、魚が泳ぐときに前後に動く体の後ろ半分の部分です。

マグロは時速50マイル(80.47キロ)で泳ぐことができ、幅広い速度域で非常に高いエネルギー効率を発揮します。

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動画:マグロは海の中で最も速い魚のひとつです。

魚のバイオメカニクスをコピーする際に厄介なのは、生物学者が現実世界での魚の柔軟性を知らないことです。

輪ゴムの柔軟性を知りたければ、輪ゴムを引っ張ればよいのです。

魚の尻尾を引っ張ると、その硬さは、魚が様々な筋肉をどれだけ緊張させているかによって決まります。

研究者が柔軟性を推定するためにできることは、泳いでいる魚を撮影し、体の形がどのように変化するかを測定することだけです。


動画:魚の尾の周りを水がどのように流れるかを視覚化することで、魚が最も効率的に泳ぐためには、尾の剛性が泳ぐ速度の二乗に比例して増加する必要があることがわかった。©Qiang Zhong and Daniel Quinn, CC BY-ND

計算で答えを探す

研究者たちは、マグロなどの魚の柔軟性や泳ぎ方を真似ようと何十台ものロボットを作ってきましたが、本物のパフォーマンスに匹敵するものはありませんでした。

バージニア大学の私の研究室では、同僚と一緒に他の研究者と同じ疑問にぶつかりました。

ロボットはどのくらい柔軟であるべきか?

最適な柔軟性というものがないのであれば、ロボットはどのように泳ぎながら硬さを変えていけばいいのか?

私たちは、その答えを、飛行機の翼の振動に関するNASAの古い論文に求めました。

この論文では、飛行機の翼が振動すると、その振動によって翼が生み出す揚力が変化することが説明されています。

魚のヒレと飛行機の翼は似たような形をしているので、同じ計算で魚の尾が前後にはばたくときの推力をモデル化することができます。

私とQiang Zhong博士は、この古い翼の理論を使って、泳ぐ魚の数学的モデルを作成し、尾にバネと滑車を加えて、筋肉の緊張による影響を表現しました。

その結果、方程式の中に驚くほどシンプルな仮説が隠されていることがわかりました。

効率を最大化するためには、筋肉の張力は泳ぐ速度の二乗に比例して増加する必要があります。

つまり、泳ぐ速度が2倍になれば、剛性は4倍になる必要があるのです。

魚や魚型ロボットが高い効率を維持しながら3倍の速度で泳ぐためには、腱を約9倍強く引っ張る必要があります。

この理論を確かめるために、私たちはマグロ型ロボットに人工の腱を付け加え、速度に応じて尾の硬さが変わるようにプログラムしました。

そして、新しいロボットをテストタンクに入れ、様々な「ミッション」を実行しました。

例えば、200メートルのスプリントでは、模擬的な障害物を避けなければなりませんでした。

尾部の柔軟性を変化させることができるようになったことで、単一の剛性を持つロボットと比較して、幅広い速度範囲で平均して約半分のエネルギー消費することができました。

Qiang Zhong氏(左)とDaniel Quinn氏は、異なる速度で泳ぐ際にロボットの剛性が変化するように設計した。

Qiang Zhong氏(左)とDaniel Quinn氏は、異なる速度で泳ぐ際にロボットの剛性が変化するように設計した。©Yicong Fu, CC BY-ND

その意義

優れたロボットを1台作ることも素晴らしいことですが、私たちが最も期待しているのは、このモデルが適応可能であるということです。

体の大きさや泳ぎ方、さらには流体の種類に応じてモデルを微調整することができます。

このモデルは、体の大きさや泳ぎ方、さらには流体の種類に応じて調整することができ、体の大きいものや小さいもの、泳ぐものや飛ぶものなど、動物や機械に適用することができます。

例えば、イルカは尻尾の硬さを変えることで多くの恩恵を受けることができますが、金魚は体の大きさや体型、泳ぎ方によってあまり恩恵を受けることができないことが、このモデルからわかります。

このモデルは、ロボットの設計にも応用できます。

泳いだり飛んだりするときのエネルギー効率が高まれば、ロボットの音も静かになり、現在は効率的な巡航速度が1種類しかない自動車やロボットに、根本的に新しいミッションを与えることができる。

短期的には、生物学者が河川敷やサンゴ礁をより簡単に研究できるようになったり、研究者が風や海流をこれまでにない規模で追跡できるようになったり、捜索救助チームがより遠く、より長く活動できるようになったりするでしょう。

長期的には、私たちの研究が潜水艦や飛行機の新しいデザインにつながることを期待しています。

人間が泳いだり飛んだりする機械に取り組んできたのは数世紀前からですが、動物は何百万年も前からその技術を完成させてきました。

動物たちは何百万年もかけてその技術を完成させてきたのですから、彼らから学ぶべきことはまだたくさんあるはずです。La Conversation

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