Swim-and-Breach at Palm Scale: A Rudder-Steered Two-Propeller Underwater Robot Platform with Differential-Thrust Pitch Control

自然界は、長きにわたり異なる世界間を移動する術を極めてきました。魚は単に泳ぐのではありません。跳ねるのです。捕食者から逃れるため、あるいは滝を越え、空中の獲物を捕らえるために、魚は鼻先を上に向けて仰角を取り、瞬発的なパワーで加速し、水面を突き抜けるまでその急な角度を維持しなければなりません。この操縦には、力の繊力的なバランスが必要です。すなわち、瞬時に巨大な推力を生み出す能力、水から出る際の角度を制御する精密さ、そして水面の混沌とした乱気流に対して進路を真っ直ぐに保つ安定性です。数十年にわたり、エンジニアたちは驚異的な速度で泳ぐ水中ロボットや、魚の優雅なうねりを模倣する機械を作り上げてきましたが、この「水から出る」という特定の動作を成功裏に再現できたものはほとんどありません。ほとんどの水中機械は潜水するように設計されており、跳躍を試みるものも、制御が不足して姿勢を崩したり、水面を完全に越えられなかったりすることがよくあります。

コロラド大学ボルダー校の研究チームは、この問題を解決する極小のロボットを開発しました。これにより、魚と同じように、水中で泳ぎ、空中へと跳ね上がり、再び水中に着水するという一連の動作を流動的にこなすことが可能な機械が誕生しました。このデバイスは手のひらサイズで、長さわずか65ミリメートル、重さはわずか34グラムですが、小型水中ロボットの限界を押し広げる複雑な一連の動作を実行します。2つのプロペラを垂直に積み重ね、尾のラダー（舵）を追加することで、チームは体長の13.9倍の速度で泳ぐだけでなく、1秒足らずで鼻先を垂直位置まで持ち上げることができるプラットフォームを作り上げました。このロボットは、障害物を体長の1.6倍の高さまで飛び越え、水平方向に体長の3.7倍の距離を進んでから、水中に着水します。自然の川の流れの中でも、このロボットはさらに高く、水面上に体長の2.8倍の高さまで跳ね上がることができ、その設計が予測不能な現実世界の環境下でも機能することを証明しました。

このロボットの成功の鍵は、魚の形をそのままコピーするのではなく、物理現象を模倣する方法にあります。制御が難しい「尾による羽ばたき」の代わりに、研究者たちはプロペラを採用しました。防水加工された3Dプリント製のボディ内部に、2つの小型高速モーターを上下に配置したのです。上のプロペラを下のプロペラよりも速く回転させる、あるいはその逆を行うことで、ロボットは鼻先の角度を非常に精密に上下させることができます。この差動推力がレバーのように作用し、ロボットが素早く角度を変えることを可能にします。また、移動中に横に回転してしまうのを防ぐため、2つのプロペラの間に小さな尾のラダーを追加しました。このラダーはボートの舵のように機能し、左右に操舵して進路を真っ直ぐに保ちます。ボディ自体は航空工学から借用した翼型（エアフォイル）の形状をしており、これにより水が表面をスムーズに流れます。コンピュータ・シミュレーションによれば、この形状は同サイズの単純な箱型と比較して抵抗を5分の1に軽減し、より高速かつ低エネルギーでの移動を可能にします。

研究者たちはまず、高速度カメラとセンサーを用いてあらゆる動きを測定できる実験室の水槽でテストを行いました。彼らはロボットに一連のコマンドを実行するようプログラムしました。すなわち、「直進する」「鼻先を特定の角度まで持ち上げる」「水面に向かって加速する」、そして「跳躍する」という流れです。ロボットに搭載されたコンピュータは、回転と重力を測定するセンサーを用いて常に姿勢を確認し、進路を維持するために2つのプロペラの速度を1秒間に数百回調整します。これらのテストにおいて、ロボットは研究者が刺激を与えて乱れをシミュレートした場合でも、1秒以内に位置を修正し、一定のピッチ角を保持することができました。跳躍の準備が整うと、ロボットは鼻先を65度まで持ち上げ、加速し、水面を突き抜けました。ラダーがない状態では、水から出る際にロボットはしばしば横に捻れてしまい、方向を見失っていました。しかし、ラダーを作動させることで、ロボソッドは完璧に整列を保ち、真っ直ぐ上前方へと突き進みました。

チームはその後、ロボットをラボから、水の流れや乱れがある自然の渓流であるボルダー・クリークへと連れ出しました。ここでの挑戦はより過酷なものでした。流れる水がロボットをコースアウトさせようとし、水面も波立っていました。こうした条件下でも、ロボットは見事にジャンプを成功させました。ロボットは流れに逆らって泳ぎ、鼻先を上げ、水面から跳ね上がり、体長の2.8倍の高さに達しました。これらの屋外テスト中にラダーをオフにすると、ロボットは進路を維持できず、激しく左右に揺れ、意図した目標から遠く外れた場所に着水しました。このことは、ラダーが穏やかなタンク内だけでなく、ダイナミックな環境における安定性に不可欠であることを裏付けました。このロボットが、泳ぎ、ピッチを上げ、跳ね、そして戻るという一連の動作を完遂できることは、小型水中機械における新たなレベルのアジリティ（機敏性）を示しています。

この成果は、小型ロボットが近い将来、現在はアクセス不可能な領域の調査に使用できる可能性を示唆しています。多くの水中システム、例えば配管、ダム、浸水した構造物などは、堰（せき）やプール間の乾燥した隙間といった障壁があり、ロボットの進行を妨げます。水中で泳ぎ、その後障害物を飛び越えることができる機械は、複雑な環境をナビゲートし、これまで不可能であった場所でのインフラ点検や水質モニタリングを行うことができるでしょう。研究者によれば、現在のプロトタイプはまだ細いケーブルで電源に繋がれた状態ですが、今回実証された原理は、将来の自律型バージョンの設計図となります。バッテリーのサイズやプロペラの設計を改良することで、将来の完全自律型モデルは、インスピレーションの源となった魚と同じように、流れのプールから別のプールへと飛び移り、川の隠れた隅々や産業システムの奥深くを探索することができるようになるはずです。