関節で爆発を起こしアーマード・コアみたいにロボットを跳躍させる技術！

最近話題のアーマード・コア6では、ロボットの脚部パーツによって、性能が大きく変化します。

これはゲームの世界に限った話ではなく、現実のロボット開発においても、その移動能力やジャンプ能力は、脚の構造に大きく左右されます。

そして最近、アメリカのコーネル大学（Cornell University）でオーガニック・ロボティクス・ラボを運営するロバート・F・シェパード氏ら研究チームは、新たな構造で前進したりジャンプしたりする小型4足ロボットを開発しました。

ロボットの関節内部で連続爆発を引き起こし、そのエネルギーを用いて地面を強く蹴るというのです。

研究の詳細は、2023年9月14日付の科学誌『Science』に掲載されました。

目次

• ロボットの跳躍力を高めるカギは「爆発力」!?
• 爆発で大ジャンプする小型ロボット

ロボットの跳躍力を高めるカギは「爆発力」!?

Credit:電撃オンライン（YouTube）_『アーマード・コア6』【プレイレポート：逆関節編】瞬時に敵の頭上を取れる縦方向への移動力に注目『AC6／ARMORED CORE VI』（2023）

ロボットアクションゲーム「アーマード・コア6」では、これまでのシリーズに引き続き、逆関節タイプの脚部が登場します。

この逆関節タイプは、通常の二脚タイプとは異なり、跳躍力に優れています。

ジャンプする際に逆さになった関節を折り曲げて溜め、そのエネルギーを一気に放出することで高くジャンプできるのです。

もちろんこれはゲームの世界での話ですが、現実のロボットのジャンプ力を高めるためにも、「エネルギーを溜めて一気に放出する」という爆発力は効果的でしょう。

Credit:Robert F. Shepherd（Cornell University）_Soft Robot Walks by Repeatedly Blowing Itself Up（2023 IEEE Spectrum）

そしてシェパード氏ら研究チームが新しく開発したロボットは、文字通り「爆発」させることで、高いジャンプ力を生み出すことに成功しました。

一般的なロボットにはバッテリーが積まれており、電気的に動作します。

バッテリーには「静か」「クリーン」というメリットがありますが、エネルギー密度は大きくありません。

一方、メタノールなどの化学燃料のエネルギー密度は圧倒的であり、バッテリーの20～50倍にもなります。

そこでチームは、ロボット脚部の関節内部に燃焼室を設置し、そこで小規模な爆発を引き起こすことで、ロボットが地面を蹴るための強い力を生み出すことにしたのです。

爆発で大ジャンプする小型ロボット

チームは、ロボットの脚を動かすために、シンプルかつ小型の内燃機関（エンジン）を組み込んでいます。

メカニズムは次の通りです。

Credit:Robert F. Shepherd（Cornell University）_Soft Robot Walks by Repeatedly Blowing Itself Up（2023 IEEE Spectrum）

関節の燃焼室では、メタンと酸素が注入され、その後点火。

爆発が生じて0.5秒以内に柔らかい素材でできた上部が上向きに膨らみ、9.5Nの力を生み出すのです。

その後は水と二酸化炭素が排出されます。

Credit:IEEE Spectrum（YouTube）_Combustion Powered Soft Walking Robot（2023）

最大の課題は、燃焼アクチュエータ（エネルギーを機械的な動きに変換する装置）が爆発に耐えることでした。

研究チームはこの課題に対して、燃焼量を抑えたり、難燃性の素材（難燃性エラストマー）を用いたりすることで対応しています。

その結果、激しく動作するにも関わらず、75万サイクル（50Hzで8.5時間）以上の連続動作が可能になりました。

新しく開発されたロボットは、体長29mm、重さ1.6gの昆虫サイズです。

Credit:IEEE Spectrum（YouTube）_Combustion Powered Soft Walking Robot（2023）

しかし、59cmの高さまでジャンプし、自重の22倍のおもりを背負って歩くことができます。

シェパード氏は、「昆虫レベルに近いパフォーマンスで、非常に高く、そして素早くジャンプし、大きな荷物を運ぶことができる」とコメントしています。

小型ロボットに高い跳躍力を持たせるのは簡単ではありませんが、爆発というシンプルな方法こそが、その鍵だったのです。

研究チームは、次のステップとして、アクチュエータの速度を小さくすることを考えており、これによって動作の幅を広げていく予定です。

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参考文献

Soft Robot Walks by Repeatedly Blowing Itself Up
https://spectrum.ieee.org/explosive-robot-insect

元論文

Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg5067