Pneumatic neurons for soft robots enable inflate-and-fire networks for rhythmic motion

自然界において、動きはしばしば身体と環境との間の対話のように感じられます。土の中を這うミミズや、葉の上を進む昆虫は、あらゆる命令を下すための単一の中央脳に頼っているわけではありません。代わりに、これらの生物は体に沿って走る分散型の神経ネットワークを利用しており、これにより、各セグメントが全体の調和のとれたリズムを維持しながら、局所的な状況に反応することを可能にしています。中央パターン生成器として知られるこの生物学的戦略は、回復力と適応力を提供します。つまり、システムの一部が乱されても、トップダウンの命令を必要とせずに、残りの部分が調整できるのです。柔軟で順応性のある素材を用いて機械を構築することに専念している分野であるソフトロボティクスは、長らくこのような分散型の知能を再現しようとしてきました。しかし、今日のほとんどのソフトロボットは、依然として動きのタイミングを指示するために、かさ高い外部ポンプや複雑な電子コントローラーに依存しており、それが遠隔地や繊細な環境における独立した動作能力を制限しています。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者たちは、自然界に見られる原理を用いながら、デジタル電子機器を一切使用せずに自律制御を行うソフトロボットを開発することで、この問題の解決に向けた大きな一歩を踏み出しました。彼らは「ニューマチック・ニューロン（空気圧ニューロン）」と呼ぶ新しいタイプのソフトモジュールを開発しました。これは、感知、思考、そして行動を同時に行うことができる自己完結型のユニットとして機能します。チームはこれらのモジュールを輪の形につなぎ合わせることで、ミミズの神経系のように、独自の律動的な動きを生み出すシステムを作り上げました。このロボットは、コンピュータプログラムではなく、熱と圧力の物理学によって完全に駆動される、進行波状の膨張と収縮によって移動します。このアプローチにより、ロボットは周囲の環境に反応するだけで、温度や物理的な負荷の変化に合わせて動きを適応させることができ、模倣対象である生物のように堅牢で自律的な機械への新しい道を開いています。

この発明の核心は、非常に低い温度で沸騰する特殊な液体を満たした小さな柔らかいポーチです。各ポーチの中には、小さなヒーターと柔軟なプラスチック製の機械的スイッチが収められています。ヒーターに電流が流れると、ポーチ内の液体がガスに変わり、ポーチを膨張させます。この膨張は単なる動きではなく、一つの信号でもあります。ポーチが膨らむと、内部の機械的スイッチを押し付けます。このスイッチは、前のモジュールへの電力供給を遮断する低い閾値と、次のモジュールへの電力供給を開始する高い閾値という、二つの明確な閾値を持つように設計されています。これにより、「膨張して発火する（inflate-and-fire）」と呼ばれるサイクルが生まれます。モジュールが膨張し、隣接するモジュールを起動させ、その後冷却されてガスが再び液体に戻ることで、サイクルを再開できるのです。液体が極めて低い温度で沸騰するため、システムは非常に少ないエネルギーで動作でき、スイッチが機械的であるため、マイクロチップやソフトウェアを必要としません。

個々のモジュールが連携して複雑な動きを生み出せるかどうかをテストするため、研究者たちはそれらを輪状に接続しました。その結果、システムが安定した繰り返しの波動運動を生み出すためには、モジュールが三つの特定の動作を行う必要があることが分かりました。すなわち、次のモジュールを興奮させ、前のモジュールを抑制し、そして次のモジュールが引き継ぐ準備ができるまで自身の状態を保持することです。これら三つの挙動のいずれかが欠けると、システムは単一の膨張した状態のまま固まってしまうか、あるいは信号が輪を伝わる前に消滅してしまいます。チームがわずか三つのモジュールで構成された輪を構築したところ、それは連続的な進行波を生成することに成功しました。ある瞬間において、三つのうち二つのモジュールが活動状態で温まっており、信号をシームレスなループとして次へと渡していくのです。この「二つが熱い（two-hot）」状態により、ロボットは電源がある限り、中央の脳なしにリズムを維持し続けることができ、ネットワークが自己組織化できることを証明しました。

このシステムの真の力は、物理的世界に適応する能力にあります。研究者たちは、特定のモジュールに重りを加えたり、周囲の温度を変えたりすることで、ロボットのテストを行いました。ロボットに重い荷重を置くと、追加された圧力によって機械的スイッチがより早く作動しますが、同時に重みがモジュールの収縮を困難にします。これにより波のタイミングが変化し、ロボットの速度は低下しましたが、停止することはありませんでした。ロボットは単に、新しい負荷に合わせてペースを調整したのです。同様に、冷凍庫の中でロボットを冷却すると、液体が十分に沸騰できなくなるため、波は遅くなり、最終的には停止しました。ホットプレートの上で加熱すると、モジュールが自発的に膨張し、システムは振動を止めて静的な形状を保持する異なる状態に入りました。これらの実験は、ロボットの振る舞いが事前に書き込まれたコードによって固定されているのではなく、ロボットの材料特性と環境との相互作用から直接創発されるものであることを示しました。

このシステムの回復力を示す最も衝撃的な実演は、研究者がリングを物理的に切断したときでした。従来のロボットでは、制御線を切断すると機械全体が故障してしまいます。しかしここでは、チームが六つのモジュールからなるリングを二つの三モジュールずつのリングに切断したところ、両方の半分が即座に独自に振動し始めました。一方の半分は波を継続し、もう一方の半分も、短い手動の再始動を経て、独自の律動を見出しました。システムは再プログラミングや配線のやり直しを必要としませんでした。接続を切断するという単純な行為によって、二つの新しいリングがそれぞれ独立したパターンを形成できたのです。これは、これらのニューマチック・ニューロンが、損傷に耐えうるロボット、例えば一部の動物が失った肢を再生するように、引き裂かれた場合に小さな機能的なユニットへと分裂できる可能性を示唆しています。

研究者たちはまた、ロボットが実際に表面を移動できるかどうかを確認するために、小さなL字型の脚をモジュールに取り付けました。モジュールが進行波として膨張・収縮するにつれ、脚は膨張時には地面を掴み、収縮時には滑るようになり、ミミズのような這う動きを作り出しました。ロボットは六サイクルで約25ミリメートル前進しましたが、この速度は選択された材料の特性によって決まります。メカニカルなロボットと比較すれば遅いものですが、研究者たちは、この速度はアーキテクチャそのものではなく、選ばれた材料の性質によるものであると指摘しています。流体やヒーターを変更することで、システムの基本論理を変えることなくタイミングを調整することが可能です。外部のポンプや電子コントローラーなしに移動能力を生み出すこの能力は、重い装備を持ち込むことが不可能な深海や宇宙などの場所で活動するロボットへの可能性を開いています。

この研究は、ソフトロボットの設計におけるパラダイムシフトを象徴しています。それは、コンピュータによって制御される「別個の機械」という考え方から、身体そのものがコンピュータであるという考え方への移行です。動きの論理を材料とアクチュエータの物理学の中に直接組み込むことで、研究者たちは本質的にモジュール化され、堅牢なシステムを作り上げました。ロボットは自分がどこにいるのか、周囲がどのような様子なのかを「知る」必要はありません。ただ、熱、圧力、そして接続に対して反応するだけなのです。より高速な動きのために高温に耐えられる材料を見つけるといった課題は依然として残っていますが、ニューマチック・ニューロンは適応型ロボティクスの新しい設計図を提示しています。それは、インフレーション（膨張）とファイア（火）という単純かつ優雅な物理学を通じて、複雑な世界をナビゲートできる、生命体のように柔軟で自立した機械の未来を示唆しているのです。