多機能一足跳躍ロボットが砂地や氷面での移動制限を突破

トロント大学のエンジニアが、砂地、氷面、その他の困難な地形に対応できるように設計した柔軟な足マットを備えた単脚跳躍ロボットを開発した。このロボットはHopcopterと呼ばれ、基本的には大型スプリングの足部に搭載された四旋翼ドローンである。研究チームはこの技術を、救助活動、遠隔地のインフラ点検、さらには惑星間探査に応用することを目指している。関連研究成果は『Advanced Intelligent Systems』に発表され、機械および工業工学科のPakpong Chirarattananon教授が主著者を務めた。

Chirarattananonは、ドローンは低コストであり、さまざまな地形を飛び越え、撮影や録画に優れた性能を発揮すると述べた。しかし、軽量化が求められるため、ドローンが運べる荷物は限られており、航続距離は携帯できる燃料に制約される。一方、車輪式や脚式ロボットはより多くの荷物を運ぶことができ、より遠くまで移動できるが、コストが高く、必ずしも険しい地形に対応できるわけではない。彼は、この二者の間に新型ロボットの余地があると考えている。彼の研究室「集約運動、知能機構およびバイオミメティックロボット研究室（CLIMB）」は、自然界のデザインを参考にし、範囲、効率、コスト、荷物容量のバランスを取っている。

Hopcopterのデザインは鳥類からインスパイアを受けており、鳥は空中を持続的に飛ぶのではなく、異なる場所の間を滑空し、長時間休息し、時には地面で跳躍する。香港城市大学の博士課程の学生Song Liは、トロントでの学術交流においてロボットの開発に重要な役割を果たした。Hopcopterの長い脚は重心を地面より高く保ち、予め張られたゴムバンドが重力やその他の力を相殺する。主著者であり、機械および工業工学の博士課程の学生であるJeeraphat (Owen) Kledkruemasは、これによりこのロボットは他の跳躍ロボットよりもモデリングや制御が容易になると指摘している。

跳躍機能により、ロボットはほとんどの車輪式または脚式ロボットが通過できない障害物を越えることができ、エネルギーを節約し、標準的なドローンよりも多くの重量を運ぶことができる。

足マット設計の課題と解決策

元々のHopcopterは平坦なコンクリートや細砂利の上では良好に機能するが、他の地面では課題に直面する。急な角度で着陸したり、氷面のような滑らかな場所に着地すると、ロボットの足部が滑り、バランスを失う。砂地やその他の柔らかい表面では、足部が沈んで引っかかる。Kledkruemasが設計した足マットは、ロボットの重量をより大きな面積に分散させ、雪靴のように雪に埋まるのを防ぐ。球形関節により足マットは地面の傾斜に合わせて動き、ゴムバンドは各ジャンプ後に自動的に元の位置に戻る。

足マットの底部には短い尖った突起が覆われており、氷登山者が使用するアイゼンのように、グリップ力を増加させている。

未来の応用と課題

研究者によると、新設計の足マットは離陸誤差を最大66%低減し、効率を最大64%向上させた。また、この足マットは異なる地形での性能の変動を84%縮小し、Hopcopterの困難な地面での性能はほぼ平滑な地面での性能に匹敵する。Kledkruemasは、これらの改善により氷面や砂地での跳躍が可能になったと指摘している。

チームはHopcopterの自律ナビゲーションシステムを開発し、さらなる挑戦に取り組む計画である。Chirarattananonは、この改良により「このロボットを実験室から現実世界に持ち出すことができる」と述べた。彼は、自然災害後の救助活動や、パイプラインや鉱山などの遠隔地インフラの点検に利用できることを想定している。また、チームは火星のような場所の探査も夢見ており、そこでは大多数のタイプのドローンには大気が薄すぎる。

新型ロボット技術の応用可能性

Hopcopterのデザインは、特に複雑な地形に対応する点で、従来のドローンやロボットの限界を突破している。その革新的な足マット設計は、ロボットの安定性を向上させるだけでなく、応用範囲を拡大し、救助活動から遠隔地インフラの点検、さらには惑星探査にまで及ぶ。この技術の発展は、将来のロボットがさまざまな環境でどのように機能するかを変える可能性があり、特に自然災害後の救助活動において、より効果的な解決策を提供することが期待される。