ジャンプロボットが飛躍して記録的な高さ

カリフォルニア大学サンタバーバラ校のエンジニアリング教授であるエリオットホークスとその共同研究者によって開発された機械式ジャンパーは、これまでのジャンパーの中で最も高い高さ（約100フィート（30メートル））を実現できます。この偉業は、ジャンプ装置の設計への新しいアプローチを表しており、移動の一形態としてのジャンプの理解を深めます。

「動機は科学的な質問から来ました」と、ロボット工学者として機械がその環境をナビゲートできるようにするための多くの可能な方法を理解しようとしているホークスは言いました。 「私たちは、設計されたジャンパーの限界を理解したかったのです。」生物学的ジャンパー（動物界では私たち）については何世紀にもわたる研究があり、ほとんどが生物に触発された機械式ジャンパーについては数十年に及ぶ研究がありますが、2つの調査ラインは多少分かれていると彼は言いました。 「2つを比較対照し、それらの限界がどのように異なるか、つまり、工学的ジャンパーが生物学的ジャンパーと同じ法則に本当に制限されているかどうかを比較する研究は実際にはありませんでした」と彼は言いました。

生物学的システムは長い間、移動の最初で最良のモデルとして機能してきました。これは特にジャンプに当てはまり、研究者は「一定の質量を維持しながら、ジャンパーによって地面に加えられる力によって作成される動き」と定義しています。多くの設計されたジャンパーは、進化によって提供されたデザインの複製と大きな効果に焦点を合わせてきました。

しかし、生物学的システムにジャンプをもたらす要素は、工学的システムを制限する可能性があると、博士号を取得したCharlesXaioは述べています。ホークスの研究室の候補者。

「生物学的システムは、筋肉の1回のストロークで生成できるエネルギーでしかジャンプできません」とXaio氏は述べています。したがって、システムは体を地面から押し出すために与えることができるエネルギーの量に制限があり、ジャンパーは非常に高くジャンプすることができます。

しかし、設計されたジャンパーの場合、研究者たちは利用可能なエネルギーの量を増やす方法があるかもしれないと考えました。

彼らは、ラチェットまたは回転するモーターを使用して多くのストロークを取り、ばねに蓄えることができるエネルギーの量を増やします。研究者たちは、この能力を「仕事の増殖」と呼びました。これは、あらゆる形状とサイズの設計されたジャンパーに見られます。

「生物学的ジャンパーと人工ジャンパーのエネルギー生産のこの違いは、ジャンプの高さを最大化するために、2つが非常に異なる設計を持つ必要があることを意味します」とXiao氏は述べています。動物は、小さなバネ（1回の筋肉のストロークによって生成される比較的少量のエネルギーを蓄えるのに十分なだけ）と大きな筋肉量を持っている必要があります。対照的に、設計されたジャンパーには、できるだけ大きなスプリングと小さなモーターが必要です。」

研究者たちはこれらの洞察を取り入れて、生物学的ジャンパーとはまったく異なるジャンパーを設計しました。モーターに対するスプリングのサイズは、動物に見られるサイズのほぼ100倍です。さらに、彼らは新しいばねを考案し、単位質量あたりのエネルギー貯蔵を最大化することを目指しました。ハイブリッド引張圧縮ばねでは、炭素繊維の圧縮ボウが押しつぶされ、モーター駆動のスピンドルに巻き付けられた線を引っ張ることで輪ゴムが引き伸ばされます。チームは、中央を横切る弓の外側に曲がるエッジを張力のかかったゴムでリンクすることで、スプリングの強度も向上することを発見しました。

「驚くべきことに、ゴムは圧縮ボウスプリングをより強くします」とホークスは言いました。 「スプリングを壊すことなく、さらに圧縮することができます。」

ジャンパーは軽量に設計されており、ジャンプのエネルギーを解放するための最小限のラッチ機構と、飛行中の空気抵抗を最小限に抑えるために脚を折りたたむ空力特性を備えています。全体として、これらの設計機能により、9ミリ秒で0から60 mph（315gの加速力）にスピードアップし、研究者のデモンストレーションで約100フィートの高さに達することができます。研究によると、モーター駆動のジャンパーの場合、これは「現在入手可能な材料でのジャンプの高さの実現可能な限界に近い」です。

この設計と生物学的設計によって設定された制限を超える能力は、機械の移動の効率的な形式としてジャンプを再考するための段階を設定します。ジャンプロボットは、現在飛行ロボットだけが到達する場所を取得する可能性があります。

メリットは地球外でさらに顕著になります。ジャンプロボットは、表面の障害物に対処することなく、月や惑星を効率的に移動しながら、地形ベースのロボットでは到達できない機能や視点にアクセスできます。

「私たちは、月の重力が地球の重力の1/6であり、基本的にはないことを指摘して、デバイスは月で0.5 km前方にジャンプしながら、高さ125mをクリアできるはずだと計算しました」とホークスは言いました。空気抵抗。 「それは、設計されたジャンパーにとって1つの大きな飛躍になるでしょう。」