4本足のスワームロボットがタフな地形を横断—一緒に

検疫の初期の頃、ノートルダム大学の教授でロボット工学のエンジニアであるヤセミンオズカンアイディンは、自宅で時間を使ってロボットを組み立てていました。

Ozkan-Aydinは、複雑な地形をチームとして操作する共同脚式システムを開発しました。

起伏の多い地形や狭いスペースを移動するために、Ozkan-Aydinは、ロボット間の物理的な接続によって移動性を高めることができると提案しました。たとえば、個々のロボットがそれ自体でオブジェクトを移動できない場合は、ロボットにタスクを完了するためのより大きな多脚システムを形成させてみませんか？

結局のところ、それはアリがすることです。

「アリが物を集めたり運んだりするときに、障害物に遭遇した場合、グループはその障害を克服するために共同で作業します。たとえば、経路にギャップがある場合、他のアリが移動できるように橋を形成します。これがこの研究のインスピレーションです」と、最近のニュースリリースでOzkan-Aydin氏は述べています。 。 「ロボット工学を通じて、これらの生物学的システムのダイナミクスと集団行動をよりよく理解し、将来この種のテクノロジーをどのように使用できるかを探ることができます。」

Ozkan-Aydinは、3Dプリンターを使用して、長さが15〜20センチメートルの4本足のロボットを構築しました。

各ロボットには、リチウムポリマー電池、マイクロコントローラー、および3つのセンサーが含まれていました。光センサーに加えて、各ロボットの前面と背面にある2つの磁気タッチセンサーにより、システムを接続できます。

4本の柔軟な脚により、追加のセンサーや部品の必要性が減り、ロボットに一定レベルの機械的知能が与えられました。これは、起伏の多い地形や起伏のある地形とのやり取りに役立ちました。

「障害物を検出するために追加のセンサーは必要ありません。脚の柔軟性により、ロボットが障害物を通り過ぎて移動できるからです」とOzkan-Aydin氏は述べています。 「彼らは自分たちの体で橋を架けて、小道の隙間をテストすることができます。オブジェクトを個別に移動します。または、接続して、アリとは異なり、さまざまな種類の環境でオブジェクトをまとめて移動します。」

Ozkan-Aydinは、COVID-19のパンデミックのために国の大部分が閉鎖された、2020年の初めに研究のための彼女の研究を開始しました。各ロボットを印刷した後、Ozkan-Aydinは、庭や遊び場で息子と一緒に昆虫に触発されたシステムをテストしました。

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ノートルダム大学の教授は、自然と製造の両方のさまざまな地形で実験を行いました。ロボットは、草、根おおい、葉、どんぐり、泡の階段、シャグカーペット、パーティクルボードに接着された長方形の木製ブロックの起伏の多い地形を通り抜けて移動しました。

個々のユニットがスタックすると、追加のロボットにライトを送信して、支援の要求を示します。光を感知すると、ヘルパーロボットが接続してサポートを提供します。つまり、一緒に歩きながら押すことで、集合的に作業しながら障害物をうまく通過できます。

「ヘルパーロボットが光の勾配に従ってサーチャーロボットを見つけた後、それは後ろから取り付けられ、両方のロボットのタッチセンサーが接続状態をロボットに通知します」とOzkan-Aydin教授はに語った。技術概要 。

研究チームは最近、その結果を Science Roboticsに公開しました。 。

今後の研究では、システムの制御、検知、および電力機能の改善に焦点を当てます。

Tech Briefs との短いQ＆A 以下では、Ozkan-Aydinが、これらの機能が進歩したときに群れができることを説明しています。

技術概要 ：磁気タッチセンサーはどのように機能しますか？どのように機能し、どのように制御されますか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：各ロボットには、ロボットの前面と背面に、N-S極性の2つのネオジム希土類磁石を含む2つの磁気コネクタがあります。背面の磁気コネクタはテールに取り付けられており、テールを上に動かすことで極性を逆にすることができます（S-N）。つまり、尻尾が上がっているときは2台のロボットが接続でき、尻尾が下がっているときは切り離すことができます。

技術概要 ： 「ヘルプ」信号がロボットに送信されると、ヘルプロボットはどのようにして何をすべきか、どのような行動を取るべきかを知ることができますか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：検索ロボットが階段や起伏の多い地形で動かなくなった場合、ヘルプ信号（ロボットの背面にある明るいLEDライトをオンにする）がヘルパーロボットに送信されます。スタック[ステータス]は、サーチャーロボットによって測定された光強度によって検出されます。ロボットが動けなくなると、ターゲット（光源）に向かって移動できなくなり、光の強度は変化しません。ヘルパーロボットは常にサーチャーロボットからの信号を待ちます。

もちろん、私たちのシステムには制限があります。たとえば、ヘルパーロボットがサーチャーロボットのビームの外にある場合、ヘルパーロボットはそれを見つけることができません。将来の設計では、GPSなどの他のタイプのセンサーを使用してロボット間の通信を強化する必要があります。ただし、システムの複雑さが増すにつれて、ロボットの制御はより困難になります。ここでは、機械的知能が重要な役割を果たします。

技術概要 ：ここで「機械的知性」とはどういう意味ですか？それらはどの程度正確に相互作用しますか？ 1台のロボットが障害物に引っ掛かるとどうなりますか？追加のロボットに信号はどのように送信されますか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：機械的インテリジェンスとは、メカニズムが環境に応答したり、新しい外部状況に適応したり、コントローラーからの感覚的なフィードバックやガイダンスなしに一部の機能を自動的に実行したりすることを意味します。各ロボットには、4つの方向性のある柔軟な脚と尾があります。脚または尾が障害物にぶつかると、後方に曲がって障害物を越えます。障害物を通過した後、リターンスプリングが脚を元の位置に引っ張ります。この受動的な曲げにより、接触面積も増加します。これにより、個々の脚または尾が地形の粗さの変化に対処したり、立脚段階で地面との接触を失ったり、空気段階で障害物を踏んだりぶつけたりすることができます。

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すべてのロボットには、接続状態を検出するためのタッチセンサーのような2つのスイッチがあります。1つはロボットの前面に、もう1つは背面にあります。 2台のロボットを接続すると、尾部に取り付けられたドーム型のプッシャーが、前部ロボットの尾部と後部ロボットの頭部の両方のセンサーに接触します。ロボット間に高レベルの通信（たとえば、GPS座標をワイヤレスで送信する）はありませんが、タッチセンサーにより、各ロボットは他のロボットと接続されているかどうかを知ることができます。タッチセンサー以外に、各ロボットの前面下部に光センサー（フォトトランジスター）があります。このセンサーは、環境の光強度を測定し、ロボット間のローカル通信を提供するために使用されます。

技術概要 ：実際の実用的なアプリケーションの1つまたは2つを増幅できますか？群れは何をどのように達成できますか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：脚のあるロボットの群れは、捜索救助活動、農業アプリケーション（植栽と収穫、環境モニタリングと作物検査など）、集合的な物体輸送、宇宙探査などの実際の協調タスクを実行できます。

技術概要 ：それらに電力を供給することに関して、たとえば、動きに基づいて、ある種のエネルギーハーベスティングを想像できますか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：これは、将来の設計で改善する必要がある非常に重要なポイントです。たぶん、エネルギーハーベスティングメカニズム（圧電材料のような）をロボットの脚に取り付けて、歩行中にエネルギーを収穫することができます。または、各ロボットにソーラーパネルを取り付けてバッテリーを充電することもできます。もう1つのオプションは、エネルギーハーベスティングメカニズムを装備できるロボットは1つだけで、総コストを削減し、他のロボットに電力を伝達できることです。

技術概要 ：この取り組み、特に自然なモデルに影響を与えたのは何ですか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：この研究は、ムカデやヤスデなどの多足の動物に触発されており、柔軟な体や手足を備えた多様な地形で効果的に移動でき、問題を解決するために自己組織化して橋などの構造を作成できるアリの集団です。

技術概要 ：ロボットをどのように改善しようとしていますか？

ヤセミンオズカン-アイディン ：現在、ロボットは限られた通信範囲によって制約されています。個人間のコミュニケーションが改善されたことで、群れの中のユニット（四足動物）が適切に調整し、環境条件や実行するタスクに応じて歩き方を変えることができると期待しています。さらに、ロボットの寸法は、実行するタスクに応じて拡大縮小できます。

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