イスラエル国防軍は、迷彩服を着用し、カメラを搭載したロボットヘビの配備準備を進めている。本物のヘビの運動原理を応用し、亀裂や洞窟をすり抜けるこのスパイボットは、ロボット工学者アミール・シャピロ氏が動物生理学に基づいて考案した巧妙な設計の一つに過ぎない。私たちは、このロボットを詳しく見るため、ベン・グリオン・ネゲブ大学にあるシャピロ博士の研究室を訪れた。
この発明者の指針となる原則は、世界中のエンジニアに馴染みのあるものだ。「KISS：シンプルに、愚か者め」。しかし、彼が設計したロボットプロトタイプの用途は、決してありきたりではない。軍事用の爆発物を運んだり、カメラを装備して倒壊した建物に潜り込んで生存者を捜索したりできるスネークボットのほかにも、トンネルマッピングロボットは、2 台で移動して互いのエラーを修正し、磁気ホイールを使って船の喫水線下を調査するロボットや、粘着式の履帯を使ってカタツムリのように垂直の壁をよじ登るロボットなどがある。
ボストン・ダイナミクス社の「ビッグ・ドッグ」のような多用途ロボットのプロトタイプとは対照的に、あなたのロボットはそれぞれ特定の移動問題をシンプルなソリューションで解決するように設計されています。「ローテク」哲学をお持ちですか？
いいえ、実際にはそうではありません。実際、3Dプリントなど、部品の設計・製造方法の一部は非常にハイテクです。しかし、私たちはボトムアップのアプローチを採用しています。現在は、各ロボットに特定のタスクを割り当て、そのタスクに合わせて設計する段階にあります。複雑なタスクを扱いやすい小さな部分に分割し、それらを組み合わせるのは、まさに科学の技です。一般的に、シンプルであることは良いことです。偉大な発明は、最もシンプルなもの、例えば車輪のように。
ヘビ型ロボットでどんな問題を解決しようとしたのですか?
ヘビのように動くロボット自体は新しいものではありません。私が付け加えたのは、環境との「転がり接触」を生み出すことでヘビを前進させるというアイデアです。転がり接触とは、車輪が環境と継続的に接触することと全く同じです。ヘビ型ロボットでは、胴体のリンクを伝わる伝搬波によって転がり接触が維持されます。私はこれを「変形可能な車輪」と呼んでいます。なぜなら、各リンクが地面を転がり、接触がリンクの端まで達すると、次のリンクが来て転がりを続けるからです。
転がり接触は2つの理由で有用です。1つ目は、ロボットの前進距離を測定するためです。車輪と同じように、オドメトリ情報を取得できます。進行波を用いることで、ロボットの各リンクの環境に対する角度を測定できるため、ロボットがどの程度移動したかを推定できます。将来的には、各リンクに傾斜センサーと加速度センサーを搭載することで、より正確な測定が可能になります。2つ目は、登攀動作です。ロボットが自立できるよう、環境との接触力を維持するためには、接触を継続的に維持する必要があります。
「2D」スネークはリンクに1つの進行波しか使用しないため、前後にしか移動できませんが、2つの剛体面の間を登ることもできます。「3D」スネークでは、水平方向と垂直方向の2つの直交する波がリンクを通過し、その重なり合いによってねじのような動きが生まれます。より汎用性が高く、波の速度と位相差を変えることで左右に操縦できます。登ることもできるはずですが、まだテストしていません。
2 台 1 組で動作するトンネル マッピング ロボットの原理は何ですか?
基本的には誤差補正です。イスラエル国防軍（IDF）には、ガザとイスラエル間のトンネルを発見する部隊があり、トンネル内に進入して安全に地図を作成できるユニットの設計を依頼されました。当然のことながら、トンネル内にはGPSがないため、地図作成にはオドメトリに頼る必要があります。しかし、ロボット1台では、回転や旋回中に少しでもずれが生じると、ロボットの角度に誤差が生じ、一定の距離を超えると位置特定に大きな誤差が生じてしまいます。
2台のロボットがあれば、オドメトリに加え、ペアの相対的な配置に関する追加情報を取得できます。ロボット同士を繋ぐアームには6つの受動関節があり、2台のロボット間の相対的な位置情報を記録します。この冗長データにより、滑りが発生した場合の誤差補正が可能になります。また、アームは2台のロボット間で力を伝達することもできます。片方のロボットがもう片方のロボットを押したり引いたりすることで、障害物を乗り越えるのを助けることができ、トンネルのような狭い空間で特に役立ちます。
他の2つのプロトタイプは、移動中に特定の表面に取り付けられるように設計されていました。それぞれの問題に対してどのようなアプローチをとったのですか？
最初のアイデアは、海軍士官である二人の学生から持ちかけられました。彼らは、ダイバーを派遣することなく、水面直下の船体損傷を評価できる方法があればいいのにと考えていました。金属構造物に取り付けられるロボットが必要だったので、ロボットの車輪に磁石を取り付けるのが最もシンプルで簡単な解決策でした。問題は、ロボットが移動する際にリベットや継ぎ目などの障害物を乗り越えなければならないことです。そこで、地形に合わせて調整できるよう、すべての磁石をバネに取り付けました。
2つ目の問題は、約20年前、兵士が誘拐され、建物の2階に監禁された事件に着想を得ました。静かに外壁をよじ登り、内部を調査できるロボットがあれば非常に役立つでしょう。壁面が粗かったり、密閉されていないため、吸引による移動は適さないことがよくあります。そこで、粘着剤を分泌するだけでほぼあらゆる表面を登ることができるカタツムリに注目しました。ロボットの各踏面に取り付けたホットグルーガンが、この動きを模倣するのに非常に効果的であり、ロボットの重量をはるかに超える重量を支えられるほどの強度があることを発見しました。
今後の研究活動についてどのような計画がありますか?
より動的な移動プロセスを研究したいと思っています。これらのプロトタイプはすべて、いわゆる準静的動作、つまりロボットが常に安定している状態を前提としています。将来的には、慣性、ジャンプ、さらには転倒といった、より動的なプロセスを研究していくことになると思います。実際、人間は歩くとき、前に倒れるのですから。ですから、これらの動的移動への応用を研究したいと思っています。
