An Autonomous Subgram SMA-Based Swimmer

技術要約：SMAベースの自律型サブグラム級小型水泳ロボット

問題提起
昆虫スケールの自律型トライフィビアス（陸・海・空）スウォーム（群れ）ロボットの開発は、災害対応、インフラ点検、汚染検出において大きな可能性を秘めています。しかし、既存のマイクロロボットには決定的な限界があります。その多くは外部電源に物理的に接続されているか、非構造化環境には不向きな、大規模でインフラ集中的な磁気駆動システムに依存しています。新しいアクチュエーション技術やエネルギー貯蔵技術によって、ミリメートルからセンチメートルスケールの自律型地上車両は実現されていますが、これらを昆虫サイズの自律型水中車両（AUV）の作成へと活用することにはまだ成功していません。逆に、センチメートルからデシメートル規模の水中車両は存在しますが、それらはマイクロスケールへの効果的なスケーリングが困難な駆動および電力システムを使用しています。さらに、形状記憶合金（SMA）アクチュエータは、高い仕事密度を持つ一方で、電気的・機械的エネルギー変換効率が低い（1〜6%）ため、しばしば避けられる傾向にあります。しかし、SMAベースのシステムの特定の低電圧要件は、圧電式や電磁式のアドバンテージと比較して、マイクロスケールのパワーエレクトロニクスに対して独自の利点を提供する可能性があります。

手法
著者らは、昆虫サイズのAUVにおける技術的ギャップを埋たすべく設計された、900 mgのバイオインスパイアード表面水泳ロボット「Swima」を提示しています。このシステムは、動力、駆動、および計算を単一のプラットフォームに統合しています。

• 駆動および推進： ロボットは、ニチノールSMAワイヤによって駆動される2つの10 mgの高仕事密度（HWD）アクチュエータによって推進されます。これらのアクチュエータは、平面的な4節リンク機構を介して2つのソフトテール（尾部）を駆動し、アクチュエータの変位を大きなストローク角へと増幅させます。これらのテールの波動運動は、流体・構造相互作用（FSI）を通じて流体力を生成し、前方推進と旋回を実現します。
• 電力および電子回路： プラットフォームは、レーザーエッチングと導電性銀エポキシ組み立てを用いて製作されたカスタムプリント基板（PCB）を備えています。このPCBには以下が統合されています：
  • オンボード計算用のMicrochip PIC16F18326マイクロコントローラユニット（MCU）。
  • センシング（ジャイロスコープ）用のSTMicroelectronics LSM6DSOXTR慣性計測装置（IMU）。
  • SMAアクチュエータのスイッチとして機能する2つのNチャネルMOSFET（PWM信号によって駆動）。
  • MCUおよびIMUへの電力を安定させるための電圧レギュレータ。
  • 11 mAh、3.7 V、507 mgのシングルセルリチウムイオン（Li-Ion）バッテリー。
• 制御戦略： 著者らは、ロボットのヘディング（方位）を制御するためのフィードバック制御スキームを実装しました。IMUのジャイロスコープは、角速度に比例するアナログ電圧信号を提供し、これはサンプリングされて推定ヘディング角速度に変換されます。相補フィルタがヘディング推定値を計算し、これを目標ヘディングと比較して、誤差信号を生成します。比例・積分（PI）コントローラがこの誤差を処理し、2つのアクチュエータのデューティ比を個別に変調することで、直進追従および旋回操作を可能にします。バッテリーからの高い瞬間電流（~500 mA）による回路のリセットを防ぐため、アクチュエータは同時ではなく交互に動作するようにプログラムされています。

主な貢献

1. 初のサブグラム自律型表面水泳ロボット： Swimaは、オンボードの電力、駆動、および計算を統合し、完全なワイヤレス動作を可能にした、1グラム未満の最初のマイクロスイマーです。
2. マイクロスケールにおけるSMAベースの駆動： 本論文は、高効率なMOSFETドライバと組み合わせた場合、SMAベースの駆動が昆虫スケールのAUVにとって実行可能かつ有利な選択肢であることを示し、典型的なSMA技術の効率に関する懸念を克服しています。
3. フィードバック制御による水泳： 本研究は、軌道をリアルタイムで修正するためにオンボードセンシングを利用した、自律型昆虫スケール水泳ロボットにおける初のフィードバック制御ヘディング追従のデモンストレーションを提示しています。
4. カスタム製造： サブグラムスケールで複雑な電力、駆動、および計算回路を統合するために、導電性銀エポキシとレーザーエッチングを用いたカスタムPCBの開発を行いました。

実験結果

• 性能指標： Swimaは最大22.4 mm/s（体長あたり0.56体長/秒）の遊泳速度と、最大14°/sの旋回率を達成しました。
• 追従精度： フィードバック制御実験において、ロボットは0度のヘディング参照軌跡に従い、複数回のテストを通じて約6.5°の平方根平均二乗（RMS）追従誤差を記録しました。
• 耐久性： ロボットは、Li-Ionバッテリーの1回の充電で最大18分間連続稼働しました。平均消費電力は約87 mWと推定されました。
• バッテリー効率に関する注記： 実験後の電圧測定により、バッテリーエネルギーの約50%が未使用のまま残っていることが示されました。著者らは、高い瞬間電流によってバッテリー電圧がレギュレータのドロップアウト閾値を一時的に下回り、回路のリセットを引き起こしたことが原因であると仮説を立てています。

意義
本論文は、Swimaが海洋ロボティクスおよびマイクロ/ナノロボットの分野において重要な一歩を踏み出したと主張しています。Swimaは、閉ループのヘディング制御が可能な、初のサブグラム自律型表面水泳ロボットです。著者らは、推進システムに改善の余地があること（EEMロボット[38]がより大きなバッテリーを用いてより高速かつ長い稼働時間を達成していることを指摘）を認めつつも、オンボードセンシングと計算機能を備えた状態で18分間自律的に動作できるSwimaの能力は、AUVの昆虫スケールへのスケーラビリティに関する新たなベンチマークを設定しています。本研究は、アンテナなし（untethered）のマイクロ水泳のための、効率的なパワーエレクトロニクスと組み合わせたSMAアクチュエータの使用を検証しており、将来のスウォーム行動やより複雑な自律型水中ミッションへの基礎を提供しています。