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2025-12-29 09:56:00
ロボットについて話すとき、多くの人がすぐに思い浮かべるのは、工場のロボット アーム、または食品の配達や人々との会話を支援するサービス デバイスかもしれません。しかし最近、ペンシルバニア大学とミシガン大学の研究チームが協力して、「塩粒より小さい」完全にプログラム可能な自律ロボットを作成しました。研究チームはまた、このロボットが将来的に医療に広く使用されたり、製造業の発展を促進するためのマイクロデバイスの構築を支援したりする可能性があると期待している。
「ここ数十年でエレクトロニクスはますます小型化してきましたが、ロボットはそれに追いつくのに苦労しています」とペンシルバニア大学工学部電気・システム工学部の助教授であり、この研究論文の主著者であるマーク・ミスキン氏は言う。サイズが1ミリメートル未満で独立して動作できるロボットを構築することは非常に難しく、過去40年間この分野を悩ませてきた課題です。 「私たちは自律ロボットのサイズを1万分の1に縮小しました」とマーク・ミスキン氏は強調した。この研究結果は、マイクロロボット分野における重要な技術的進歩であり、さらなる応用の可能性を開くものでもあります。
マイクロロボットが抵抗と粘度の課題を克服し、液体中をうまく「泳ぐ」にはどうすればよいでしょうか?
マイクロロボットの大きさは約 200 × 300 × 50 ミクロンで、多くの微生物と同じくらいの大きさです。この極めて小さいサイズでは、体積に関連する重力と慣性はもはや支配的な力ではなく、表面積に関連する「抗力」と「粘性」に置き換えられます。
このようなマイクロロボットが直面するであろう抵抗と粘性の課題を考慮して、研究チームはマイクロロボットを「水泳ロボット」として設計することに決めた。マイクロロボットがミクロスケールで水を押すのは「タールを押す」のと同じくらい難しいが、一般的な移動方法は水が満ちた環境では効果がなく、損傷しやすいためである。
これらの課題を解決するために、研究チームは新しい推進システムを設計することにしました。原理は、ロボットによって生成された電場を使用して周囲の溶液中のイオンを「つつく」ことで、これらの移動するイオンが水分子を駆動し、ロボットが液体中で「泳ぐ」ことを可能にする駆動力を生み出すことです。
同時に、イオン場の変化を調整することで、ロボットは複雑な動作パターンを表示でき、魚群のような協調動作や編隊動作も実行できます。さらに、マイクロロボットの小型化の利点を維持するために、研究チームはサイズが大きくなり構造が壊れやすい可動部品の使用を意図的に避けました。この「可動部品がない」という特徴により、耐久性も大幅に向上します。 「マイクロピペットを使用すると、これらのロボットを損傷することなく、あるサンプルから別のサンプルに繰り返し移すことができます」とマーク・ミスキン氏は語った。
電子部品、制御推進システム、ソーラーパネルなどの完全な「頭脳」をマイクロロボットに装備します。
これらのマイクロロボットが真に「自律」できるかどうかの鍵は、移動能力に加えて、完全な「脳」を備えているかどうかです。ロボットには、自ら命令を受け取って実行するためのコンピューターが組み込まれている必要があります。また、周囲の環境を感知し、推進システムを制御し、マイクロソーラーパネルを通じて電力を供給するための電子部品も必要です。これらすべてを塩粒よりも小さなチップに圧縮する必要があります。ここで、ミシガン大学の David Blaauw のチームが重要な役割を果たします。
David Blaauw が率いるこの研究所は、かつて「世界最小のコンピューター」の記録を打ち立てました。 「ペンの研究チームが開発した推進システムと私たちの小さな電子コンピューターがお互いのために作られたものであることは、会った瞬間にわかりました」とデビッド・ブラウ氏は回想します。しかし、両大学の研究チームが最初の運用ロボットを完成させるには、構想から実装までに 5 年かかりました。
たとえば、電子設計では、エネルギー条件が非常に制限されていることから最大の課題が生じます。 David Blaauw氏は、ロボットが使用できるソーラーパネルは非常に小さく、出力はわずか75ナノワットであると指摘した。このような低消費電力でコンピュータを動作させるために、ミシガン大学のチームは、非常に低い電圧で動作できる特別な回路を開発し、全体の消費電力を 1,000 分の 1 以上削減しました。
それでも、ソーラーパネルは依然としてロボットのスペースの大部分を占めており、研究者は残りのわずかな領域にプログラムを保存するために必要なプロセッサとメモリを詰め込まなければなりません。この目的を達成するために、チームはコンピュータの命令アーキテクチャを完全に再設計し、当初は複数の命令を必要とした推進制御を単一の専用命令に凝縮して、プログラム長を短縮し、限られたメモリ空間に適応させました。
数ヶ月稼働可能な真の「思考力」を備えた初のマイクロロボットを作成
これらの設計上の画期的な進歩により、研究チームは真の「思考能力」を備えた最初のマイクロロボットを作成することができました。研究者らは、彼らが知る限り、このような小型ロボットにプロセッサ、メモリ、センサーを統合して、小型ロボットが自律的に感知して行動できるようにした人は誰もいないと述べた。
現在、これらのマイクロロボットには電子温度センサーを装備することができ、単一細胞の健康状態を監視するために細胞活動の代理指標として温度データを報告することもできます。このマイクロロボットのグループがデータを送り返す方法は、ミシガン大学チームによって設計された特別なコンピューター命令セットであり、これによりロボットは推進システムを使用してミツバチに似た「ワッグルダンス」を実行できるようになります。この技術を通じて、マイクロロボットは感知した値を特定の周波数のスイング動作にプログラムすることができます。研究者はこれらの「スイング」を顕微鏡やカメラで観察し、それを解読してロボットが収集した情報を解釈します。
プログラミングに関しては、研究チームは光パルスを使用してロボットのプログラミング コードを作成しました。各ロボットは独立したアドレスを持ち、異なるプログラムをロードできるため、研究者は異なるタスクを異なるロボットに割り当てることができます。 David Blaauw 氏は、「これにより、さまざまなアプリケーション シナリオに多くの可能性が開かれます。各ロボットは、大規模な共同タスクで異なる役割を果たすことができます。」と述べています。また、将来のマルチマシン協調マイクロ システムへの道も開かれます。
太陽エネルギーを動力源とし、消費電力が極めて低いように設計されたこれらの小型ロボットは、数か月間自律的に動作できます。研究チームによると、現在の試験試作機には主に温度センサーが搭載されているが、将来的には他の種類のセンサーに置き換えることは難しくないとのこと。
さらに、製造コストの観点から、これらの完全にプログラム可能で自律的に動作するマイクロロボットは、ユニットあたりのコストを 1 セントまで削減することを目標に、大規模かつ低コストで生産できる可能性があると研究者らは指摘しています。 「これは実際には最初の章にすぎません」とマーク・ミスキン氏は語った。 「私たちは、肉眼ではほとんど見えない小さなデバイスに脳、センサー、モーターを組み込んで、何か月も生き続けて動作させることができることを証明しました。そのため、この基礎ができたら、さまざまな知能や機能を追加することができ、マイクロロボット工学のまったく新しい未来が開かれることになります。」
＊この記事はパートナーに転載を許可しています。データ出典：《トムのハードウェア》、ペンエンジニアリング、最初の写真の出典:ペンエンジニアリング
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