世界最小の自律マイクロロボット：200μmスイマーが数ヶ月動作

Robotics & Automation INSIDER

米国1セント硬貨上のマイクロロボット、スケールを示す。（画像：Michael Simari、ミシガン大学）

ペンシルベニア大学とミシガン大学の研究者たちが、世界最小の完全プログラマブル自律ロボットを作成しました：微小な泳ぐマシンで、周囲を独立して感知・応答し、数ヶ月動作し、コストはわずか1セントです。肉眼ではほとんど見えない各ロボットは約200×300×50マイクロメートルで、塩の粒より小さいです。多くの生物学的微生物のスケールで動作し、これらのロボットは個々の細胞の健康監視により医療を前進させ、マイクロスケールデバイス構築支援により製造を前進させる可能性があります。

光で駆動し、微小コンピューターを搭載し、複雑なパターンで移動し、局所温度を感知し、それに応じて経路を調整するようにプログラム可能です。

Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)で説明されたこれらのロボットは、テザー、磁場、外部からのジョイスティック的制御なしで動作し、このスケールで初の真に自律的、プログラマブルなロボットとなります。

数十年にわたりエレクトロニクスはより小さくなってきましたが、ロボットはペースを合わせるのに苦労してきました。「1ミリメートル以下のサイズで独立して動作するロボットを構築するのは信じられないほど困難です」とMiskinは言います。「この分野は本質的に40年間この問題で立ち往生してきました。」

人間の世界を支配する力——重力と慣性——は体積に依存します。しかし細胞のサイズまで縮小すると、表面積に関連する力——抗力と粘性——が支配的になります。「十分小さければ、水を押すことはタールを押すようなものです」とMiskinは言います。つまり、ミクロスケールでは、手足のような大きなロボットを動かす戦略はめったに成功しません。「非常に小さな手足は壊れやすく、構築も非常に困難です」とMiskinは言います。だからチームは、ミクロ領域での運動の独特な物理学に逆らうのではなく、それに合わせて働く全く新しい推進システムを設計しなければなりませんでした。

魚のような大型水生生物は、後ろの水を押すことで移動します。ニュートンの第三法則により、水が魚に等しく逆向きの力を及ぼし、前進させます。対照的に、新しいロボットは身体を全く屈曲させません。むしろ、周囲の溶液中のイオンを軽く押す電場を生成します。それらのイオンが、ロボットの身体周りの水分子を押し、ロボットの周りの水をアニメートします。「ロボットが動く川の中にいるかのようです」とMiskinは言います、「しかしロボット自身が川を動かしているのです。」

ロボットはこの効果を引き起こす電場を調整でき、複雑なパターンで移動し、魚の群れのように協調グループで移動することさえ可能です。速度は最大で秒速1ボディレングス。

電場を生成する電極に可動部がないため、ロボットは極めて耐久性があります。「マイクロピペットでこれらのロボットを繰り返しサンプル間で移動させても損傷しません」とMiskinは言います。LEDの光で充電され、ロボットは数ヶ月泳ぎ続けられます。

真に自律的であるためには、ロボットには意思決定のためのコンピューター、周囲を感知し推進を制御するエレクトロニクス、すべてを駆動する微小ソーラーパネルが必要で、それらすべてがミリメートルの一部サイズのチップに収まらなければなりません。ここでミシガン大学のDavid Blaauwチームが活躍しました。

Blaauwのラボは世界最小コンピューターの記録保持者です。5年前、DARPA主催のプレゼンテーションでMiskinとBlaauwが初めて会ったとき、二人は即座に自分たちの技術が完璧にマッチすることを認識しました。「ペン工学の推進システムと私たちの微小電子コンピューターが、まさにお互いのために作られたことを認識しました」とBlaauwは言います。それでも、双方で5年間の懸命な作業を経て、初の動作するロボットを届けました。

「エレクトロニクスの主要課題」とBlaauwは言います、「はソーラーパネルが微小で75ナノワットしか発電しないことです。これはスマートウォッチの消費電力の10万分の1以上です。」このような少ない電力でロボットのコンピューターを動かすため、ミシガンチームは極めて低電圧で動作し、コンピューターの消費電力を1000倍以上削減する特別な回路を開発しました。

それでも、ソーラーパネルがロボットの大部分のスペースを占有します。したがって第二の課題は、プログラムを格納するプロセッサーとメモリを、残されたわずかなスペースに押し込むことでした。「コンピュータープログラム命令を完全に再考しなければなりませんでした」とBlaauwは言います、「推進制御に従来なら多数の命令を必要とするものを、ロボットの微小メモリ空間に収まるようプログラム長を縮める単一の特別命令に凝縮しました。」

これらの革新により、実際に思考できる初のサブミリメートルロボットが可能になりました。研究者たちの知る限り、真のコンピューター——プロセッサー、メモリ、センサー——をこれほど小さなロボットに搭載した例はありません。このブレイクスルーにより、これらのデバイスは自ら感知し行動する初の微小ロボットとなります。

ロボットには、摂氏0.33度以内で温度を検出できる電子センサーがあります。これによりロボットは温度上昇領域に移動したり、温度を報告したりできます——細胞活動の代理指標——個々の細胞の健康監視を可能にします。

「温度測定値を報告するため、測定温度などの値を、ロボットが実行する小さなダンスの揺れに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Blaauwは言います。「顕微鏡とカメラでこのダンスを見て、揺れからロボットが何を伝えているかをデコードします。これはミツバチが互いにコミュニケートする方法と非常に似ています。」

ロボットは、同時に電源も供給する光パルスによってプログラムされます。各ロボットには固有のアドレスがあり、研究者たちがそれぞれに異なるプログラムをロードできます。「これは多くの可能性を開きます」とBlaauwは付け加えます、「各ロボットがより大きな共同タスクで潜在的に異なる役割を果たせるからです。」

将来バージョンでは、より複雑なプログラム格納、より高速移動、新センサー統合、より挑戦的環境での動作が可能になるでしょう。本質的に、現在の設計は汎用プラットフォームです：推進システムがエレクトロニクスとシームレスに働き、回路が安価に大量生産可能で、設計が新機能追加を許容します。

「これは本当にまだ最初の章です」とMiskinは言います。「ほぼ見えないほど小さなものに、脳、センサー、モーターを入れ、数ヶ月生存・動作させられることを示しました。その基盤があれば、あらゆる種類の知能と機能を重ね合わせられます。ミクロスケールロボティクスの全く新しい未来への扉を開きます。」

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