この奇妙なタンブルウィードロボットは惑星探査を変えるかもしれない

火星探査機キュリオシティの「恐怖の7分間」のビデオが示したように、遠い惑星への着陸は極めて困難です。現在、科学者たちは、土星最大の衛星タイタンに宇宙から落とせるロボットを構想しています。ボール型のロボットで、その柔軟な体全体が基本的にクッションなので、落下を和らげるためのエアバッグは必要ありません。その後、ロボットはタイタンの表面に衝突して平らになり、タンブルウィードのように転がりながら異星の地形を探索することができます。

この「スーパーボールボット」は、NASA のロボット研究者 Vytas SunSpiral (そう、これが彼の本名です) と Adrian Agogino 氏、そしてその同僚たちの構想であり、9 月中旬までに完全なプロトタイプを完成させる予定です。このドロイドの開発過程で、彼らは革命的な新しい種類のロボットの先駆者となったのかもしれません。

スーパーボールボットは、ワイヤーと棒でできたあやとりのように見えます。棒の端にあるモーター、バッテリー、センサー、電子制御システムで、ケーブルの張力を緩めたり、締めたりできます。時間の経過と共に、どのワイヤーを緩め、どのワイヤーを張るかを変えることで、ロボットは折りたたんだり、広げたり、転がったりすることができます。ロボットは、体の中央に科学機器の積荷を吊り下げ、必要に応じて地面に降ろして表面を分析し、サンプルを収集します。ロボットの無線通信システムにより、ユーザーはドロイドを遠隔操作できます。

このロボットは「テンセグリティ構造」、略して「テンセグリティ」と呼ばれるもので、張力のかかる要素であるケーブルと、剛性のある要素であるロッドを組み合わせた構造です。この構造原理は、1940年代に彫刻家ケネス・スネルソンによって初めて発見され、1960年代には発明家バックミンスター・フラーによって建築への応用が検討されました。その後の研究で、生物学のあらゆる分野でテンセグリティが発見されました。たとえば、人間の背骨は、椎骨と、骨を取り囲んで支える筋肉、腱、靭帯の両方に依存しています。

「私たちは、関節やその他の一般的な故障箇所の周りで力が増大する剛性ロボットを構築する従来のアプローチを超えて、構造全体に力を分散させるテンセグリティに頼って最先端のロボットを製造しています」とサンスパイラルは言います。「非常に堅牢な力を吸収する能力を持つロボットを持つことで、例えば、一度使用して捨てるエアバッグを持つ代わりに、着陸と移動の両方を行うシステムを持つことができます。これにより、ミッションで飛行するために必要な質量が大幅に削減され、コストも節約できます。」

タイタンに関しては、研究者らはスーパーボールボットを落下させることを構想している。各ロボットは、タイタンの大気圏で燃え尽きないように熱シールドで覆われている。タイタンの表面重力は地球の7分の1強で、ロボットの終端速度（タイタンの厚い大気圏でロボットが落下する最速速度）は約時速33マイルで、地球で30フィート落下したときの速度とほぼ同じだ。「私たちが落下させた初期のプロトタイプは、その種の衝撃に耐えることができました」とサンスパイラルは言う。

これらのロボットが火星に落下したら生き残るのはより困難だろう。赤い惑星はタイタンよりも大気が薄く、重力が強いため、ロボットの終端速度はより高くなる。「しかし、単純なパラシュートで十分に減速して安全に着陸できるかもしれない」とサンスパイラルは言う。「これらのロボットが着陸できる最高速度がどれくらいかという疑問にまだ答えを出している最中だ」

たとえ、これらのロボットのどれかの部品が着地時に壊れても、テンセグリティの各部品は互いに依存しているため、いくつかの部品が壊れても、ロボットの他の部品がその不足を補うことができる。「一部の部品が壊れる可能性は想定しています」と、ベルギーのゲント大学のロボット研究者ケン・カルワーツ氏は言う。「私たちは分散制御システムを開発しており、たとえばモーターの 4 分の 1 が故障しても、構造物は動き続けることができるはずです」

「崖の端から転がり落ちたり、溶岩洞に落ちたりすることもできます。」

これらのロボットの潜在的な堅牢性は、従来のロボットが敢えてしないようなリスクを冒すことができることを意味する。「崖の端から転がり落ちたり、溶岩洞を転がり落ちたりできる」とサンスパイラルは言う。さらに、テンセグリティ ロボットはコンパクトな形状にまとめられることが多く、これはスペースが限られている宇宙ミッションでは極めて重要である。さらに、ロボットのすべての制御システムが各ロッドの端にあるキャップに収まるという事実は、「さまざまな規模のロボットを製造できることを意味します。ロッドの長さを変えることで、ロボットを 2 倍の大きさにしたり、半分の大きさにしたりすることもできます」とサンスパイラルは言う。

「これは非常に興味深い研究だ」と、この研究には参加していないハーバード大学のロボット工学者サム・フェルトン氏は言う。「このテンセグリティロボットには大きな可能性があり、このロボットが他にどんな技を学習できるかを見るのが楽しみだ」

テンセグリティ構造は、各パーツが他のパーツと相互依存していることから強度を得ているが、この特徴により、テンセグリティ構造を持つロボットの設計と制御が極めて困難になっているとサンスパイラルは言う。「これらの構造が環境と相互作用する方法をすべてモデル化することも非常に困難です」と彼は付け加えた。

サンスパイラルと彼の同僚は、これらの生物にヒントを得たロボットを制御するために、生物にヒントを得た制御システムを開発した。彼らは、移動、咀嚼、呼吸、消化などの活動に不可欠な動物の神経回路である中枢パターン発生器を模倣したロボット制御アルゴリズムを開発した。これにより、ロボットは「あなたや私が何も考えずに呼吸するのと同じように」自動的に転がることができるとフェルトンは言う。さらに、研究者らは、進化アルゴリズムの助けを借りて、ロボットが自分で転がる方法を学習する方法も開発した。これは、移動のルールが地球とは異なる可能性のある別の惑星でロボットが単独で操作する場合に有益である。

科学者たちが開発中の試作品はほぼ球形で、重さは約 35 ポンド、直径 5 フィートです。サンスパイラル氏と彼の同僚は、9 月中旬までに屋外の探査車試験施設で走行できる状態になると予想しています。しかし、「これが NASA のミッションになるまでには、さらに多くの作業が必要です」とサンスパイラル氏は言います。

テンセグリティ ロボットの実現を支援するため、サンスパイラル氏とその同僚は、オープンソースの NASA テンセグリティ ロボット ツールキットをリリースしました。これは無料でオンラインで利用でき、ゲーム物理シミュレーターの Bullet Physics エンジン上に構築されています。また、彼らは「低コストで使いやすいテンセグリティ ロボット キットを開発しており、学生や研究者が新しいテンセグリティ ロボットを簡単に組み立てられるようにしています」とサンスパイラル氏は言います。「世界中の人々にこの革新的なコンセプトを探求してもらい、新境地を開拓してもらいたいと考えています。」