スタンフォード大、鳥のように精密に枝に止まるロボットを開発

雪の結晶と同じように、二つとして同じ枝はありません。大きさ、形、質感が異なり、濡れていたり、苔が生えていたり、小枝がたくさん出ていたりします。しかし、鳥はそれらのほぼすべてに着地できます。この能力は、スタンフォード大学のマーク・カトコスキー教授とデビッド・レンティンク教授（現在はオランダのフローニンゲン大学）の研究室の大きな関心を集めました。両研究室とも、動物の能力に着想を得た技術を開発しています。

「鳥の飛行と着地を模倣するのは容易ではありません」と、両研究室で大学院生だったウィリアム・ロデリック博士（2020年修了）は語ります。「何百万年もの進化を経て、鳥たちは森林にある複雑で多様な樹木の枝においてさえ、離陸と着地を驚くほど簡単に見せてくれます。」

カトコスキー研究室での動物に着想を得たロボットの研究と、レンティンク研究室での鳥に着想を得た空中ロボットの研究の成果により、研究者たちは独自の着地ロボットを構築することができました。クアッドコプタードローンに搭載すると、「ステレオタイプな自然着想空中把持装置（SNAG）」が、飛行し、物体を捕捉・運搬し、さまざまな表面に着地できるロボットを形成します。この研究の汎用性の高さを示すため、研究者たちはSNAGを用いて、さまざまな鳥の趾の配列を比較し、オレゴン州の離れた森林でマイクロクライメートを測定しました。

以前の研究では、オウムの一種で2番目に小さいコセイコウインコを用いて、鳥たちが特殊な止まり木の間を往復飛行する様子を5台の高速カメラで記録しました。止まり木は木材、発泡スチロール、サンドペーパー、テフロンなど、さまざまなサイズと素材で作られ、鳥の着地、停留、離陸に伴う物理的な力を捉えるセンサーが組み込まれていました。

「驚いたのは、どの表面に着地する場合でも、同じ空中機動を行っていたことです」と論文の筆頭著者であるロデリック氏は言います。「足が表面の質感の変動と複雑さを処理していたのです。」すべての鳥の着地で見られるこの定型的な行動こそ、SNAGの「S」が「ステレオタイプ（定型的）」を意味する理由です。

コセイコウインコと同様に、SNAGはすべての着地に同じ方法でアプローチします。しかし、クアッドコプターのサイズを考慮して、SNAGはハヤブサの脚をモデルにしています。骨の代わりに3Dプリント構造（完成まで20回の反復を要した）を用い、モーターと釣り糸が筋肉と腱の役割を果たします。

各脚には前後運動用と把持用の2つのモーターがあります。鳥の足首周りを腱が通る仕組みに着想を得て、ロボットの脚にも同様の機構を設け、着地の衝撃エネルギーを吸収して受動的に把持力に変換します。その結果、20ミリ秒で閉じる非常に強力で高速なクラッチが実現しました。枝に巻き付くと、SNAGの足首がロックし、右足の加速度計が着地を検知してバランス制御アルゴリズムを起動、安定化を図ります。

COVID-19パンデミック中、ロデリック氏はレンティンク研究室の設備（3Dプリンター含む）をスタンフォードからオレゴン州の田舎に移し、地下室に制御実験用のラボを設置しました。そこではレールシステムでSNAGをさまざまな表面に向けて、所定の速度と角度で発射し、多様なシナリオでの性能を検証しました。固定したSNAGで、手で投げた獲物のダミー、コーンホール用ビーンバッグ、テニスボールを捕捉する能力も確認しました。最後にロデリック氏とSNAGは近くの森林で実環境試験を行いました。

全体としてSNAGは非常に良好な性能を示したため、次の開発ステップは着地前の段階、すなわち状況認識と飛行制御の改善に焦点が当たると考えられます。

応用分野

このロボットには、捜索救助や山火事監視など、数え切れないほどの応用が考えられます。ドローン以外の技術にも搭載可能です。鳥に近い特性を持つSNAGは、鳥類生物学へのユニークな知見ももたらします。例えば、研究者たちは2種類の趾配列、すなわちハヤブサのように前3本・後ろ1本の異趾型（アニソダクティル）と、コセイコウインコのように前2本・後ろ2本の対趾型（ジゴダクティル）でロボットを走らせました。驚いたことに、両者の性能差はほとんどありませんでした。

生物学者の両親を持つロデリック氏にとって、最もワクワクする応用の一つは環境研究です。その一環として、温度・湿度センサーをロボットに搭載し、オレゴン州でマイクロクライメートを記録しました。

「この研究の根底にある動機の一部は、自然世界を研究するためのツールを作ることでした」とロデリック氏は語ります。「鳥のように振る舞うロボットがあれば、環境を研究するまったく新しい方法が開けるでしょう。」