UCサンタバーバラの30メートル跳躍ロボット、新記録樹立

カリフォルニア大学サンタバーバラ校工学教授Elliot Hawkes氏と共同研究者たちによって開発された機械ジャンパーは、これまでのあらゆるジャンパー（設計されたものも生物学的なものも）の中で最も高い高度──およそ100フィート（30メートル）──を達成可能です。この偉業は、跳躍デバイスの設計に対する新しいアプローチを示し、移動形態としての跳躍の理解を前進させます。

「動機は科学的疑問から来ました」と、ロボティシストとして機械が環境をナビゲートする多くの可能な方法を理解しようとするHawkes氏。「設計されたジャンパーの限界がどこにあるかを理解したかったのです。」生物学的ジャンパー（我々動物界）については数世紀の研究があり、バイオインスパイアード機械ジャンパーについては数十年の研究がありますが、彼はこの2つの探求ラインはある程度別々に保たれてきたと言います。「両者を比較対照し、それらの限界がどう異なるか──設計されたジャンパーが本当に生物学的ジャンパーと同じ法則に制限されるのか──を調べた研究はこれまでなかったのです。」

生物学的システムは長らく移動の最初かつ最良のモデルとして機能してきました。特に跳躍については、研究者たちによって「ジャンパー自身が地面に力を加えることで生み出される移動であり、質量を一定に保つ」と定義されています。多くの設計されたジャンパーは、進化が提供した設計を複製することに焦点を当て、大きな効果を上げてきました。

しかし、生物学的システムで跳躍を生み出す要素は、設計されたシステムにとっては制約になる可能性があると、Hawkes研究室の博士課程Charles Xaio氏は言います。

「生物学的システムは、筋肉の一回のストロークで生み出せるエネルギーでしか跳べません」とXaio氏。したがって、システムは身体を地面から押し出すために与えられるエネルギー量に制限があり、ジャンパーはそれほど高く跳べません。

しかし設計されたジャンパーには、利用可能なエネルギー量を増やす方法があるかもしれないと研究者たちは考えました。

彼らは、ラチェットまたは回転するモーターを使用し、多くのストロークを実行して、スプリングに蓄えられるエネルギー量を乗算します。研究者たちはこの能力を「仕事の乗算」と呼び、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るものです。

「生物学的と設計されたジャンパーのエネルギー生産のこの違いは、跳躍高度を最大化するために、両者は非常に異なる設計を持つべきことを意味します」とXiao氏。「動物は小さなスプリング──単一筋ストロークで生産される比較的少量のエネルギーのみを蓄えるため──と大きな筋肉量を持つべきです。対照的に、設計されたジャンパーは可能な限り大きなスプリングと小さなモーターを持つべきです。」

研究者たちはこれらの洞察を取り入れ、生物学的ジャンパーとは全く異なるジャンパーを設計しました──そのスプリングのモーターに対するサイズ比は、動物で見られるものよりほぼ100倍大きくなっています。さらに、単位質量あたりのエネルギー貯蔵を最大化する新しいスプリングを考案。ハイブリッドテンション・コンプレッションスプリングでは、カーボンファイバー圧縮弓が押し潰される一方で、モーター駆動スピンドルに巻かれたラインの引張りでゴムバンドが伸ばされます。チームは、弓の外側に曲がるエッジを中央でテンション状態の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、ゴムが圧縮弓スプリングをより強くします」とHawkes氏。「壊れることなくスプリングをさらに圧縮できます。」

ジャンパーは軽量設計で、ジャンプのためのエネルギーを解放するミニマリスティックなラッチ機構を持ち、また脚が折りたたまれて飛行中の空気抵抗を最小化する空力設計です。これらの設計特徴が合わさって、0から60mphまで9ミリ秒で加速──315Gの加速力──を達成し、研究者たちのデモで約100フィートの高度に到達します。モーター駆動ジャンパーとして、これは「現在利用可能な材料では跳躍高度の実現可能な限界に近い」と研究で述べられています。

この設計と、生物学的設計で設定された限界を超える能力は、跳躍を効率的な機械移動形態として再考する舞台を整えます。跳躍ロボットは、現在飛行ロボットのみが到達できる場所に到達できるようになります。

地球外ではメリットがさらに顕著になります。跳躍ロボットは、表面の障害物を扱うことなく月や惑星を効率的に移動でき、地形ベースのロボットでは到達できない特徴や視点にアクセスできます。

「このデバイスは月面で125メートルの高度をクリアしながら、半キロメートル前進跳躍できるはずだと計算しました」とHawkes氏。月の重力は地球の1/6で、基本的に空気抵抗がないことを指摘。「それは設計されたジャンパーにとって、一つの巨大な飛躍になるでしょう。」