ロボビー
数匹の RoboBee が地面に座っており、もう 1 匹はピンセットでつながれ、翼が作動しています。

RoboBeeは、ハーバード大学のロボット研究チームによって開発された、部分的にケーブルから外れた飛行が可能な小型ロボットです。12年間の研究の集大成として、RoboBeeはマイクロロボティクスにおける2つの主要な技術的課題を解決しました。エンジニアたちは、飛び出す絵本にヒントを得たプロセスを発明し、サブミリメートルスケールで精密かつ効率的に構築することを可能にしました。飛行を実現するために、彼らは毎秒120回羽ばたける人工筋肉を開発しました。

RoboBeeプロジェクトの目標は、捜索救助、監視、人工授粉などの用途のための完全に自律的な飛行ロボットの群れを作ることです。[ 1 ] これを実現するために、研究者は、現在ロボット本体に統合された小さなテザーを介して供給されている電力供給と意思決定機能をどのように実現するかを考え出す必要があります。

RoboBee の翼幅は 3 センチメートル (1.2 インチ) で、昆虫をモデルにして飛行を実現する 最小の人工装置となります。

歴史

ハーバード大学の研究者たちは、10年以上にわたり、小型飛行ロボットの開発に取り組んできました。[ 2 ] 米国防高等研究計画局は、戦場 や市街地におけるステルス監視ソリューションへの応用を期待し、初期の研究に資金を提供しました。ハエの生物学に着想を得た初期の取り組みは、ロボットを飛行させることに焦点を当てていました。飛行は2007年に達成されましたが、機内に制御機構を組み込むことができなかったため、前進にはガイドラインが必要でした。カリフォルニア大学バークレー校のロボット工学研究者であるロン・フィアリング氏は、この成果をマイクロスケールロボット工学における「大きな進歩」と呼びました。[ 3 ]

マイクロスケールの飛行システムという概念は新しいものではなかった。「デルフライ」（3.07g、1 / 9オンス）は、ロープに縛られることなく自律的に前進飛行が可能であり、マイクロメカニカル飛行昆虫研究装置（0.1kg、3+1⁄2オンス）はホバリングには十分なパワーを持っていましたが、自立飛行能力がありませんでした。[ 4 ]

初期のロボットハエ実験の有望性に基づいて、ロボットハチコロニーの作成に何が必要かを調べるために、RoboBeeプロジェクトが2009年に開始されました。[ 5 ]

制御飛行の実現は非常に困難で、視覚専門家、生物学者、材料科学者、電気技術者など、多様なグループの努力が必要でした。[ 2 ] 2012年の夏、研究者たちは主要な技術的課題を解決し、RoboBeeという愛称で呼ばれるロボットが初めて制御飛行を行うことを可能にしました。研究成果は2013年5月初旬にScience誌に掲載されました。 [ 6 ]

設計上の課題

RoboBeeの研究者によると、RoboBeeの小型化は、作用する力の性質を変えるため、これまでのロボット小型化の取り組みはあまり役に立たなかったとのことです。[ 5 ]エンジニアたちは、回転モーター、ギア、ナット、ボルトを使わずに構築する方法を考えなければなりませんでしたが、これらはこのような小さなスケールでは実現不可能です。[ 5 ] [ 7 ] 2011年には、平らなシートからデザインを切り出し、重ねて折り畳んで形を作る技術を開発しました。[ 2 ]折り紙 のように、折り畳んだ部品を接着剤で固定しました。[ 7 ] この技術は、速度が遅く、精度が低く、耐久性の低い材料を使用していた以前の技術に取って代わりました。[ 2 ]ポップアップブック に着想を得たこの製造プロセスにより、RoboBeeのプロトタイプユニットを迅速に製造することができます。[ 8 ] [1]

マイクロスケールでは、わずかな乱流でも飛行に大きな影響を与える可能性があります。これを克服するために、研究者たちはRoboBeeを非常に高速に反応させる必要がありました。[ 2 ] 翼には、電流を流すと収縮する薄いセラミックストリップである圧電アクチュエータを用いた「人工筋肉」を構築しました。 [ 7 ] 薄いプラスチックヒンジが関節として機能し、翼の回転運動を可能にします。[ 2 ] この設計により、ロボットは同じサイズの昆虫に匹敵する出力を生み出すことができます。[ 5 ]それぞれの翼はリアルタイムで個別に制御できます。[ 2 ]

このプロジェクトの最終目標は、完全自律型で無線接続可能なRoboBeeのコロニーを作ることです。[ 2 ] 2013年現在、2つの問題が未解決のままです。第一に、ロボットは最小のカプセル化されたマイクロチップを搭載するには小さすぎるため、ロボットが意思決定を行う手段がありません。[ 7 ] 現在、RoboBeeには視覚センサーが搭載されていますが、データを解釈するには、接続された「脳サブシステム」に送信する必要があります。この問題を解決するために、専用のハードウェアアクセラレータの開発が進められています。 [ 5 ]

第二に、研究者たちは機体に実用的な電源を供給する方法を見つけ出せていない。[ 7 ] 「電力の問題もまた、ある種のジレンマ に陥っている」とウッド氏は指摘する。「大型の動力装置はより多くのエネルギーを蓄えるが、増加した重量に対応するためにより大きな推進システムが必要となり、その結果、さらに大きな電源が必要になる。」[ 5 ] 代わりに、ロボットは電力と方向指示を供給する細いコードで繋がれている。[ 7 ]機体電源管理における最近の進歩は、可逆的でエネルギー効率の高い張り出し構造への停止を実証したことだ。これにより、プロトタイプはエネルギーを節約しながら高い視認性を維持できる。[ 9 ]

将来の使用

研究者がマイクロチップと電力の問題を解決すれば、群知能を活用するRoboBeeの群れは、捜索救助活動や人工授粉に非常に役立つと考えられています。群知能という目標を達成するために、研究チームは2つの抽象プログラミング言語を開発しました。1つはフローチャートを使用するKarma 、もう1つは確率的アルゴリズムを使用するOptRADです。[ 5 ] RoboBeeの単独または小集団の潜在的な用途としては、秘密裏の監視や有害化学物質の検出などが挙げられます。[ 3 ]

これまで、電子フロンティア財団などの団体は、軍や政府による小型飛行ロボットの使用が民間人のプライバシーに及ぼす影響について懸念を表明してきた。[ 10 ] [ 11 ]テキサス州やバージニア州シャーロッツビル市など一部の地域では、規制当局が一般市民による使用を制限している。[ 12 ] [ 13 ]

プロジェクトの研究者によると、「ポップアップ」製造プロセスにより、将来的にはロボビーの完全自動大量生産が可能になるという。[ 8 ]ハーバード大学のワイス研究所は、このプロジェクトのために発明された折りたたみとポップアップの技術を商業化しようとしている。[ 2 ]

技術仕様

RoboBeeの翼幅は3センチメートル（1.2インチ）で、これは飛行を実現した人間が作った最小の翼幅と考えられています。翼は1秒間に120回羽ばたき、リアルタイムで遠隔操作できます。RoboBee1体の重量は80ミリグラム（0.0028オンス）です。[ 7 ]

ロボットミツバチと持続可能性に関する懸念

ロボットによる作物の受粉が花粉媒介者の減少に対抗できるという考えが、最近広く支持を集めている。ミツバチの受粉、ミツバチの健康、ミツバチの保護、農業生態学の分野の研究者たちは、RoboBeeやその他の人工授粉媒介者は、現時点では技術的にも経済的にも実現不可能な解決策であり、大きな生態学的・道徳的リスクをもたらすと主張している。すなわち、(1)近年の進歩にもかかわらず、ロボット支援による受粉は、ミツバチに取って代わって効率的に作物を受粉させることには程遠い。(2)ロボットの使用は経済的に実行可能とは考えにくい。(3)環境コストは容認できないほど高くなる。(4)より広範な生態系が損なわれる。(5)生物多様性の価値が損なわれる。(6)ロボットによる受粉に頼ると、深刻な食糧不安につながる可能性がある。[ 14 ]

参照

参考文献

  1. ^ハーバード大学ヴィース研究所のプロジェクトウェブサイト - https://wyss.harvard.edu/technology/autonomous-flying-microrobots-robobees/
  2. ^ a b c d e f g h i「RoboBees: 昆虫型ロボットが初の制御飛行に成功（動画付き）」 Phys.org 2013年5月2日. 2013年5月3日閲覧。
  3. ^ a bレイチェル・ロス (2007年7月19日). 「Robotic Insect Takes Off」 .テクノロジーレビュー. 2013年4月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年5月3日閲覧。
  4. ^電力密度の観点から見たマイクロメカニカル飛行昆虫の再設計。3 ページ。
  5. ^ a b c d e f g Wood, Robert; Nagpal, Radhika; Wei, Gu-Yeon (2013年3月11日). 「ロボビーズの飛行」. Scientific American . 308 (3): 60– 65. Bibcode : 2013SciAm.308c..60W . doi : 10.1038/scientificamerican0313-60 . PMID 23469434 . 
  6. ^ Ma, Kevin Y.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Wood, Robert J. (2013年5月). 「生物学に着想を得た昆虫スケールロボットの制御飛行」. Science . 340 ( 6132): 603– 607. Bibcode : 2013Sci...340..603M . doi : 10.1126/science.1231806 . PMID 23641114. S2CID 21912409 .  
  7. ^ a b c d e f g Amina Khan (2013年5月2日). 「RoboBee、虫サイズの生物にインスパイアされた飛行ロボット」 . Los Angeles Times . 2013年5月2日閲覧。
  8. ^ a b Davis, Shoshana (2013年5月2日). "「ロボビーが初飛行」 CBSニュース。 2013年5月3日閲覧。
  9. ^ Graule, Moritz A.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Jafferis, Noah T.; Ma, Kevin Y.; Spenko, Matthew; Kornbluh, Roy; Wood, Robert J. (2016年5月). 「スイッチング静電吸着を用いたロボット昆虫のオーバーハングへの止まり木と離陸」 . Science . 352 (6288): 978– 982. Bibcode : 2016Sci...352..978G . doi : 10.1126/science.aaf1092 . PMID 27199427 . 
  10. ^ Reeve, Elspeth (2011年2月22日). 「ロボット・ハミングバード・ドローンは軍の最新スパイ玩具」 .アトランティック・ワイヤー. 2013年5月6日閲覧。
  11. ^ 「FAAが新たなドローンリストを発表―あなたの街は地図に載っていますか？」電子フロンティア財団、2013年2月7日。 2013年5月6日閲覧。
  12. ^ 「テキサス州がロボットとの戦争を宣言」 Robots.net 2013年5月6日閲覧。
  13. ^ 「バージニア州の市が反ドローン決議を可決」ロサンゼルス・タイムズ、2013年2月6日。 2013年5月6日閲覧。
  14. ^シンガポール、ポッツ;ノイマン、P.ヴァイシエール、B.ニュージャージー州ヴェリーケン（2018年6月）。「作物受粉のためのロボットミツバチ: なぜドローンは生物多様性に取って代わることができないのか」。トータル環境の科学。642 : 665– 667。Bibcode : 2018ScTEn.642..665P。土井：10.1016/j.scitotenv.2018.06.114。hdl : 2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/273209。PMID 29909334。S2CID 49419492。  （購読が必要です）
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