監視用の水中ロボットは、湖のパトロールに直接使用するために拡大することができず、エンジニアは毎回ゼロから再設計する必要があります。EPFLの博士課程の学生Nana Obayashiが率いるチームは、最近「ScaFi」と呼ばれる魚型ロボットを発表しました。このロボットは、1つの構造調整を行うだけで、同じ基本設計を2フィートから約10フィートに拡張でき、元の泳ぎの姿勢を維持します。
魚の尾を基にしたバイオミミクリー構造
現在、大部分の魚型ロボットはサイズが固定されており、単一の任務にしか適していません。これらは、プロペラ推進の乗り物と同様の体の曲がり方を採用しており、植生に絡まったり野生生物を驚かせたりしないように設計されています。ScaFiは、タラやサバなどの魚類をモデルにしており、これらの魚が体を曲げる動作を尾部に集中させる特徴を模倣しています。Obayashiは、この泳ぎのパターンは体型の異なる魚類にも観察できるため、溪流の監視と湖の監視には通常、2台の完全に独立したロボットが必要だと述べています。
環境の規模はさまざまですが、ロボットツールは柔軟にスケールを調整できるものはほとんどありません。ScaFiの設計は、このギャップを埋めるために作られました。ロボットの前部は剛性構造を採用し、尾部はガラス繊維の棒で作られた柔軟な尾ひれを持ち、単一のモーターが尾端で交差する2本の腱を引っ張ることで、魚の泳ぎに必要なS字型の曲がりを生成します。ScaFiのサイズを変更するには、尾の棒の直径を調整するだけで済みます。尾の棒はロボットの体型が大きくなるにつれて比例的に太くなり、近似の曲がり特性を維持します。
現地テストは溪流と湖をカバー
研究チームは、それぞれ約2フィート、3.6フィート、9.5フィートの長さの3台のScaFiロボットを製作し、その泳ぎの性能をテストしました。最小のロボットが生成する水流の渦は本物の魚が残す跡に似ており、泳ぎの動作を体型に応じて調整した後、3台は動作性能においても非常に一致していました。チームは次に、各ロボットをサイズに応じた適切な環境に投入しました：中型ロボットはスイスの溪流に、最大型ロボットはジュネーブ湖で任務を遂行し、最小型ロボットはわずか6インチから12インチの深さの浅い溪流で運用されました。
溪流テスト中、ロボットはGPS信号を失いましたが、泳ぎを維持することができました。
エネルギー効率と安定性のトレードオフ
エネルギー効率は、泳ぎの動作のようにサイズに応じて比例的に拡大することはありません。2台の小型ロボットは似たような性能を示しましたが、最大型ロボットの効率は常に低く、より大きなモーターに変更する必要がありました。研究者たちは、抵抗と慣性の違いがこのギャップを説明できるかもしれないと推測していますが、正確な原因はまだ明らかではありません。ロボットが外力によって航路を外れた場合にも、同様のトレードオフが見られました：最小型ロボットは最も柔軟ですが、回復が最も遅く、より大きなロボットは干渉に対してより安定していますが、全体的な柔軟性は低下します。研究者たちは、単一の構造パラメータに基づくスケール調整の方法が、水中以外の他の柔軟なロボットの分野にも拡張できる可能性があると考えており、関連する研究成果は「npj Robotics」ジャーナルに発表されています。
項目 規格 ロボット名 ScaFi 魚型ロボット 設計チーム EPFL 博士研究員 Nana Obayashi（現在 NYU Tandonで助教授を務める） 生物モデル タラ、サバなど尾部が主導する曲がりを持つ魚類 構造設計 剛性前端と柔軟なガラス繊維尾棒、単一のモーターが2本の交差する腱を引っ張ってS字型の曲がりを生成 サイズ調整方法 尾棒の直径を調整するだけで、コアモーターと腱システムは変更なし