Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

自然界は、長きにわたり、異なる世界の間を移動する技術を極めてきました。アメンボやゲンゴロウのような昆虫は、足を変えたり移動方法を変えたりすることなく、池の表面を疾走したかと思えば、すぐに泥の堤防を這い上がることができます。彼らは、環境の物理現象を利用して、水を押すためにも土を押すためにも同じ肢を用います。これと同じことができる極小の機械を作ろうとしているエンジニアにとって、この生物学的なトリックは、長年の難解なパズルでした。ポケットに収まるほど小さな、具体的には5センチメートル以下のロボットを作るだけでも十分に困難です。そこに、自前のバッテリーと頭脳（制御システム）を搭載したまま、陸上と水面の両方で素早く機敏に動くマシンを作ることは、ほぼ不可能であると考えられてきました。課題は、陸と水では求められる動きが大きく異なるという点にあります。土の上を走るために有効な仕組みは、水中で泳ぐ際には機能しないことが多く、その逆もまた同様です。通常、これを解決するには複数の可動部品を備えた複雑な機械が必要となりますが、それらは昆虫サイズのフレームには大きすぎ、重すぎるのです。

研究チームは現在、このトレードオフを打破する解決策を作り上げました。彼らは、長さわずか2.1センチメートル、重さわずか1.69グラムの、紐のない（アンテザードな）昆虫サイズの水陸両用ロボットを開発しました。この極小のマシンは、地面を駆け抜け、水面を滑るように進むことができ、驚くべき速さで移動しながら、自前の電源とワイヤレス制御システムを搭載しています。成功の秘訣は、両方の環境で機能する、たった一つの巧妙な運動パターンにあります。このロボットは、泳ぐための脚と走るための脚を使い分けるのではなく、一つのアクチュエータによって駆動される一対の肢を使用し、それが走行脚としても水かき（パドル）としても機能します。これらの肢を特定の非対称なリズムで振動させることで、ハードウェアや歩容（ゲイト）を変更することなく、陸上と水上の両方で前進運動を生み出すのです。

ロボットのデザインは、ゲンゴロウの泳ぎ方に着想を得ています。ゲンゴロウは、後ろに蹴り出すときは水を掴むために足を広く広げますが、前に戻すときは抵抗を減らすために足をタイトに折りたたみます。研究者たちは、この挙動をロボットの前脚に取り付けられた水かきで模倣しました。このパドルは特殊なヒンジによって接続されており、一方の方向には自由にスイングできますが、もう一方の方向では固定される仕組みになっています。ロボットが振動すると、パドルはパワー・ストローク（推進行程）の際に大きく広がり、水を押し返すことで強力な前進推力を生み出します。逆に、リカバリー・ストローク（戻りの行程）では、パドルが折りたたまれ、水の抵抗を最小限に抑えながら水を切り裂いて進みます。これにより、純粋な押し出し力が生まれ、ロボットを前進させます。陸上では、同じ振動パターンが異なる働きをします。ロボットの本体はわずかに傾斜しており、脚が後ろに振られるときには地面を強く叩いて前進し、前方に振られるときには、摩擦を避けるためにわずかに浮き上がるようになっています。この単純な一方向の動きにより、ロボットは全く同じ機械的構成で、走ることと泳ぐことの両方を実現しているのです。

このコンセプトが現実の世界で機能することを証明するため、チームはプロトタイプを製作し、制御された環境でテストを行いました。ロボットには小型のリチウム電池とワイヤレス制御回路を装備させ、完全に自立した状態にしました。プラスチック製の表面を用いたテストにおいて、ロボットは秒速32.5センチメートルの最高速度を記録しました。これは、自身の体長の約15.5倍の長さを1秒間に進む速さです。水上では、秒速11.3センチメートル、つまり体長の5.4倍の速さに達しました。これらの速度は、このサイズの紐のないロボットがこれまで達成したどのものよりも大幅に高速です。また、ロボットは優れた敏捷性も示し、地上では毎秒760度の速度で旋回し、水上では毎秒450度の速度で旋回することができました。浮遊する障害物を回避したり、軽い破片を押し退けたりすることができ、さらには緩やかな斜面を登って水から陸へと、あるいは陸から水へと移動することも可能でした。

研究者たちは単に試行錯誤を行っただけでなく、コンピュータモデルを用いて、ロボットがどのように動くのかを正確に理解しました。彼らは、ロボットの速度が振動の周波数に大きく依存することを発見しました。振動周波数がロボットの構造の自然共振と一致するとき、運動は最も効率的になり、最大限の速度を生み出します。また、水かきのサイズとヒンジの剛性が極めて重要な要素であることも突き止めました。もしパドルが大きすぎたり、ヒンジが硬すぎたりすると、ロボットは速く動くことができません。これらの詳細を微調整することで、設計を最適化し、性能をピークに引き上げることに成功しました。この研究は、空気と水の双方の物理法則を尊重した運動戦略を用いるならば、極めて小さく、かつ極めて速いマシンを作ることが可能であることを裏付けています。

この成果は、マイクロロボティクス分野における重要な一歩となります。これまで、陸上と水上の両方で移動できる極小ロボットの多くは、速度が遅すぎるか、サイズが大きいか、あるいは電力を供給するためのワイヤーを必要としていました。この新しいロボットは、単一のシンプルな機構が、二つの異なる世界の複雑な要求に対処できることを示しています。これは、被災地での探索、洪水地域での生存者捜索、あるいは生態系を乱すことなく環境を監視する機器など、将来の機械への扉を開くものです。研究者たちは、現在のロボットは滑らかな表面ではうまく機能するものの、将来のバージョンでは砂や草のようなより粗い地形に適応する必要があると指摘しています。また、人間による制御なしで自律的にナビゲートできるよう、視覚センサーの追加も計画しています。しかし、現時点においては、2.1センチメートルのロボットが高速で走り、泳ぐ様子を示したことは、自然のトリックが工学へと見事に翻訳され、インスピレーションを与えた昆虫のように機敏なマシンが生み出されたことの明確な証左となっています。