スケールのために指先に描かれたロボット。クレジット: マーク・ミスキン/ペンシルベニア大学
ロボットは顕微鏡がないと見るのが難しいです。指紋の隆起部に載るほど小さく、液体の中でも数か月間動作することができます。この斑点の内部には、機能するコンピューター、センサー、モーターが 1 つのマシンに統合されており、周囲を感知して自らの動作を変更することができます。
ロボット工学の分野で長年追求されてきたこの組み合わせは、2016 年に出版された 2 つの新しい査読済み研究で説明されています。 サイエンスロボティクス そして 米国科学アカデミーの議事録。これらの論文は合わせて、研究者らが言うところの世界最小の完全にプログラム可能な自律ロボット、つまり細菌とほぼ同じ規模で動作する機械であると報告している。
「私たちは自律ロボットを10,000分の1に小型化しました」とペンシルベニア大学助教授で両研究の上級著者であるマーク・ミスキン氏はプレスリリースで述べた。 「これにより、プログラム可能なロボットのまったく新しいスケールが開かれます。」
複雑なトレードオフ
難しかったのは、物事を小さくすることだけではありませんでした。問題は、縮小すると物理がおかしくなるということです。電源の縮小、壊れやすい機構、流体力学の法則はすべて、ミクロスケールで衝突します。このサイズのロボットでは、水は水のように動作しません。それは濃いシロップのように機能します。小さなプロペラが失速したり、ヒンジが折れたりする可能性があります。人間のスケールで美しく機能する脚は、もろくなり、役に立たなくなります。
「体が小さい場合、水を押すことはタールを押し進めるようなものです」とミスキン氏は言う。
新作では異なるアプローチが取られています。研究者らは、ミクロの世界の物理的限界に合わせて、モーションとコンピューティングの両方をゼロから再設計しました。重要な変更の 1 つは、可動部品を完全に廃止したことです。
ロボットは流体の中をパドリングするのではなく、電場を生成します。その場は周囲の液体にイオンを押し込み、そのイオンが近くの水の分子を引きずります。結果として生じる流れがロボットを前方に運びます。実際、ロボットは周囲をかき混ぜることによって動きます。
「あたかもロボットが動く川の中にいるようなものです」とミスキン氏は言う。「しかし、ロボットは川を動かすこともしているのです。」
運用の頭脳
結合された 3 つのモーターで構成されるロボットの近くでのトレーサー粒子の軌道のタイムラプスの投影。クレジット: Lucas Hanson および William Reinhardt/ペンシルバニア大学。
動きは物理学ですが、自律性は計算です。ロボットが考えるためには、搭載できるほど小さな脳が必要だった。
その頭脳はミシガン大学から来たもので、そこでエンジニアは何年もかけてコンピュータを極限まで小型化してきました。各ロボット内のプロセッサは約 75 ナノワットの電力で動作しますが、これは一般的な電球の約 1 億分の 1 です。
「ペン・エンジニアリングの推進システムと私たちの小型コンピューターは、お互いのために作られたものであることが分かりました」と、この研究の上級著者であるデビッド・ブラウ氏はプレスリリースで述べた。
このような少ないエネルギーで動作するために、チームはコンピューティング自体を再設計する必要がありました。従来の命令は、「温度を感知する」や「N サイクル移動する」などの特殊なコマンドに圧縮されました。通常なら数十の工程が必要だった作業を、1つにまとめた。
「コンピュータープログラムの命令を全面的に再考する必要がありました」とブラウ氏は語った。 「従来、推進制御に多くの命令が必要だったものを、単一の特別な命令に凝縮しました。」
この小さな脳に電力を供給するのは軽いことです。微細な太陽電池がロボットの表面の大部分を覆っています。光のパルスはロボットにエネルギーを与え、ロボットをプログラムします。注目すべきことに、各ロボットには固有のアドレスが割り当てられているため、研究者は、ロボットが同じ皿の中を泳いでいる場合でも、特定のマシンに特定の命令を送信できます。
このアーキテクチャにより、ロボットは数か月間独立して動作することができます。これには、デジタル的に定義されたアルゴリズムの実行、メモリへの短いプログラムの保存、センサー データに基づいた動作の更新が含まれます。
即興、適応、克服
サイズの参考として、リンカーンの肩近くのペニー貨幣の表面にあるミシガン マイクロ モート。クレジット: マイケル・シマリ
これらの仕様が本当に自律的であることを証明するために、研究者らはそれらに生物学に馴染みのある感覚、つまり温度を与えました。
細胞は代謝したりストレスに反応したりするときに熱を生成するため、温度は顕微鏡の世界では重要な指標となります。実験では、ロボットは温度を測定し、データを保存し、それを報告するようにプログラムされました。
次に、ロボットは小さなダンスを通じてこの情報を伝えます。
「体温測定値を報告するために、ロボットが踊る小さなダンスの動きの値をエンコードする特別なコンピューター命令を設計しました」とブラウ氏は語った。
ロボットも適応するようにプログラムされていた。温度勾配のある流体中に置かれると、温度がより高いか低いかを検出したことに応じて動作を変更し、外部制御なしで効果的に勾配を登りました。
限界があるマイルストーン
研究者たちは何年にもわたって、泳いだり、這ったり、回転したりする小さな機械を作ってきました。多くはエレガントですが、そのほとんどは真の自律性、再プログラム可能性、オンボードセンシングというロボット工学の「三位一体」を欠いています。
これらの新しいロボットは完璧ではありません。一部の化学マイクロモーターほど高速ではなく、血液のような複雑な環境をまだ処理できず、記憶力も限られています。しかし専門家は、これは大きな閾値を超えたとみなしている。推進、センシング、および計算を単一のサブミリメートルデバイスに統合することで、チームはそれが可能であることを証明しました。
「これはまさに最初の章にすぎません」とミスキン氏は言う。 「私たちは、ほとんど目に見えないほど小さなものに脳、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。」
#科学者たちは単独で何か月も活動できるバクテリアほどの大きさのプログラム可能なロボットを開発した