Field Demonstration of a Two-Stage Rotary-Nozzle Dispenser for Aerial Shrimp Feeding

陽光が降り注ぐ静かなエビ養殖場の水面において、最も重要な任務は、同時に最も成功させるのが難しい任務でもある。それは、動物たちに餌を届けることである。エビは牛のように草を食むことはせず、餌が届くのを待っている。もし餌が一点に集まってしまったり、不適切な時間に届いたりすれば、その結果は甚大な損失を招く。食べ残された餌は腐敗して水を汚し、動物たちにストレスを与える一方で、食事を逃せば成長が滞ってしまう。何十年もの間、農家は池の縁にある固定式の機械や、ボートからの手作業による投餌に頼ってきたが、これらの手法では、現代的な大規模な池の広大で開けた水面を均一にカバーすることに苦慮している。課題は単に餌を水中に落とすことではなく、風や落下するペレットの物理法則に抗いながら、一点から広く、かつ一貫して撒き散らすことにある。

ここで、空飛ぶドローンを活用するというアイデアが登場する。ドローンは池のあらゆる場所の上空にホバリングできるため、理論的にはカバレッジの問題を解決できる。しかし、単にドローンに餌の入ったバケツを取り付けて落とすだけでは不十分である。風によって軽いペレットがコースから大きく外れてしまう可能性があり、またドローンの回転するプロペラが、下方へと押し出す空気の流れを作り出し、餌を予測不能に散らしてしまう。真のエンジニアリング上の難問は、ドローン内部の貯蔵容器から出口までどのように餌を移動させ、そして、ドローンが振動し空中を移動している間、どのようにその出口を回転させて餌を撒き散らすかという点にある。

セーシェルのアイランズ・デベロップメント・カンパニーとインドのアナルド・エアロボティクスの一流の研究チームは、この問題に対する具体的な機械的解決策をテストするために、ある試作機を用いた。彼らは、プロトタイプのドローンと特殊な給餌装置を製作し、そのメカニズムが現実の世界、具体的にはコエティヴィ島にある商業的なエビ養殖場において機能するかどうかを検証した。彼らの目的は、この手法が直ちにコスト削減を実現したり、より大きなエビを育てたりできることを証明することではなく、もっと単純で根本的な問い、すなわち「ドローンが少量の餌を運び、機体内の機械を通じて移動させ、回転するノズルを回して水中に放出する際、機械が詰まったり故障したりすることなく実行できるか」という問いに答えることであった。

研究者たちは、写真撮影や点検によく使われる小型の六発ローター型ドローンを製作し、その下にカスタムメイドの給餌器を取り付けた。この給餌器は、独立して機能する2つの明確なパーツで設計されている。第一のパーツは、小型の電動プッシャーであり、これは穏やかな手の動きのように、静止した貯蔵ホッパーから下のチャンバーへとエビの餌のペレットを移動させる役割を果たす。第二のパーツは、一番下にある回転式のタレット（砲塔）であり、反対方向を向いた2つのノズルを備えている。この設計は巧妙であり、重い貯蔵バケツ自体を回転させる必要がないことを意味していた。回転するのは小さな出口ノズルだけでよい。この分離により、ドローンは餌を安定して運びながら、ノズルを回転させてペレットを広い弧を描いて投げ出すことが可能となった。

これをテストするため、チームはドローンに約0.5キログラムのエビの餌を積み込んだ。そして、大型の長方形のエビの池の上空で、ドローンを手動で飛行させた。試験当日の天候は決して穏やかではなく、風速は秒速4.0メートルから6.7メートルの間で、中程度の微風が吹いていた。風やドローンのモーターによる振動があるにもかかわらず、チームは3回の独立した飛行を成功させた。すべての試行において、ドローンは離陸して水面上空を飛行し、内部のプッシャーが正常に餌を下部のチャンバーへと移動させた。その後、回転式タレットが回転し、2つのノズルがドローンの下方の空気中へとペレットを放出した。機械が詰まることはなく、餌が引っかかることもなく、ペレットは意図した通りに落下した。

これら3回の飛行の成功は大きな前進であったが、研究者たちは自らの主張に対して非常に慎重であった。彼らは、機械的な連鎖（メカニカル・チェーン）が機能したこと、つまり、ドローンが荷重を運ぶことができ、プッシャーが食物を移動させ、回転するノズルがそれを放出できることを実証した。しかし、彼らは餌がどれほど良く分布されたかについては測定していないことを明言した。ペレットが完璧な円を描いて着水したのか、水に当たった際にどれくらい砕けたのか、あるいは風によってどれほどコースを外れたのかについては、彼らは把握していないのである。また、0.5キログラムという積載量は実際の商業的な運用にはあまりに少なすぎるため、ドローンが養殖場全体に餌を与えるのに十分な時間飛行できるかどうかもテストしていない。

論文はさらに、フルスケールのシステムがどのようなものであるべきかを概説しており、証明された事実と将来の計画を明確に区別している。研究者らは、将来のドローンは1回の移動で25キログラムの餌を運ぶ必要があり、それには今回テストしたものよりもはるかに大型で強力な航空機が必要になると提案している。彼らは、ドローンが専用のドックに着陸し、大型サイロから自動的に餌を補充し、バッテリーを充電するという完全な養池サービスへのビジョンを描いている。この将来のシステムには、風に対抗するために角度を変えられる3つの調整可能なノズルを備えた、より高度な給餌器も含まれる予定であるが、これは今回の小型プロトタイプには備わっていない機能である。

著者らは、これらのより大規模で複雑なアイデアは、現時点ではあくまで設計および計算に基づくものであり、テストされた現実ではないことを明確にしている。彼らは、25キログラムを運ぶドローンには非常に大きな貯蔵スペースと強力なバッテリーが必要であると計算している。また、ドローンが池の異なる地点へどのように飛び、風の状態を待ち、どのように餌を放出するかという詳細な計画も作成している。しかし、これらのような大型の仕様で作られた機械がテストされるまでは、これらはあくまで提案の域を出ない。今回の研究は、回転式給餌器を備えたドローンという基本概念が機能することを証明したが、それをいかに効率的で正確、かつ商業的に実行可能なものにするかという、次の研究段階に向けた課題を残している。

結局のところ、この研究は「概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）」である。それは、空中給餌器の機械的な心臓部が、風や振動の中でも現実の世界で鼓動できることを示している。チームは、餌を移動させる役割と給餌器を回転させる役割を分離することができ、その分離が飛行機械の上でも機能することを証明した。25キログラムの餌を運び、風を補正しながら配送する完全自動化システムへの道のりはまだ長く、多くのテストを必要とするが、本研究は、その機械が意図した通りに機能するという最初の具体的な証拠を提供した。それは、理論的なアイデアを動作する機械へと変え、この「空飛ぶ給餌器」をエビ農家の標準的な道具へと変えるための将来の実験への舞台を整えたのである。