水中と空中を往き来するロボット、鳥の動きを実装

水中と空中を行き来する100種類以上の潜水鳥——アビ、カモメ、ニシツノメドリ、ミズナギドリなど——の動きに着想を得て、EPFLとMITの研究チームが新たなロボット「flapping-wing aerial-aquatic vehicle（FAAV）」を開発しました。体重300グラム未満のこのロボットは、中央の胴体、柔軟にはばたく2枚の翼、操舵可能な尾翼を備えており、翼と尾翼は異なるサイズに交換できるように設計されています。

ロボットは薄い膜状の翼に親水性排除ナノ粒子をコーティングして水をはじき、内部にはバッテリーと防水電動モーターを搭載しており、クランクシャフトを介して翼を一定の周波数で上下にはばたきます。尾翼はモーター駆動で角度を変えられ、上昇や潜水をコントロールします。研究チームはEPFLの小型水槽とレマン湖で実験を実施し、翼のサイズ（80センチメートル）と柔軟性が重要であることを発見しました。翼は水中では最小限のはばたき振幅を実現するのに十分柔軟でありながら、空中では十分な堅さで機体を支える必要があります。

実験の結果、ロボットは約5ヘルツ（毎秒5回のはばたき）の周波数で秒速約1メートルの速度で水中を泳ぎ、同様の周波数で秒速約6メートルで飛行することが分かりました。これらの速度とはばたき周波数は実際の潜水鳥と同程度です。水から空への遷移を実現するには、翼端が水面に触れないよう、ロボットを70度の急な仰角に設定する必要があります。興味深いことに、このロボットは多くの潜水鳥が水面での離陸時に必要とする足を持たずにこの動作を実行できます。開発リーダーのRaphael Zuffereyは「鳥の場合、ほとんどの鳥は水面で足をこぐ必要があります。しかし実際には、ロボットにはそれが不要であることが判明しました。これまで誰も翼だけで水から飛び立つことに成功していません」と述べています。

研究チームの最終的な構想は、oceanographers（海洋学者）、marine biologists（海洋生物学者）、沿岸コミュニティがボートや岸から このロボットを発進させ、氷山や港湾施設、クジラの群れの上など関心のある水域付近で飛行させ、水中に潜ってサンプルを採取し、従来の方法よりはるかに低いコストでデータを持ち帰らせるというものです。今後、チームは翼が上下だけでなく左右にも回転できるように設計を改善し、波立った水からの発進や風の中での飛行性能をテストした後、海洋科学の問題解決を支援する実装を目指しています。この成果は『Science』誌に掲載されました。

潜水鳥は空気と水という異なる物理特性を持つ2つの環境を自在に移動します。本研究は、この自然界の優れた適応メカニズムをロボット工学に応用した例です。研究チームはEPFLの知能システム研究室とバイオロボティクス研究室で初期段階の開発を進め、その後MITで完成させました。水槽とレマン湖での実験を通じて、翼の柔軟性が水中では最小限のはばたき振幅を実現し、空中では十分な揚力を生み出すために不可欠であることが明らかになりました。特に注目すべき点は、従来の潜水鳥が水面での足でのパドリングに依存するのに対し、このロボットは翼だけで離水に成功したという点です。この成果は単なる工学的な達成にとどまらず、自然界の飛行メカニズムへの理解も深める道を開きます。

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