この物語は、地上数百メートルの空を飛ぶ渡り鳥から始まり、下界の水の中を泳ぐ魚型ロボットで終わる。

渡り鳥は旅の準備として脂肪を蓄え、場合によっては体重を2倍にまで増やす。言い換えれば、羽毛に覆われた“バッテリー”に変身するようなものなのだ。旅に出ると、貯蔵されたエネルギーを燃やしながら、来る日も来る日も長い距離を飛び続け、飢えや寒さから身を守る。そしてついに、やつれた体で目的地にたどり着く。

コーネル大学とペンシルヴェニア大学の学者たちは、こうした渡り鳥の体について、機械の新しいエネルギーシステムのヒントになると考えた。脂肪はクールなバッテリーだが、必ずしもロボットに適しているとは言えない。それなら血液はどうだろう？

「血管と血液」でエネルギーを供給

人の場合、血液が全身の細胞に酸素とエネルギーを供給してくれる。そして一部のロボットでは、すでに油圧というかたちで液体がメカニズムを動かしている。人の血液が筋肉を動かすように、ロボットを駆動している液体を利用してエネルギーを運搬させたらどうだろうか？

鳥型ロボットはあまりに複雑で、必要なエネルギー密度も高すぎる。そこで魚のミノカサゴの形をしたロボットを開発することになった。簡単な「血管と血液」で自身にエネルギーを供給しながら、その液圧によってひれを動かす仕組みだ。

この技術はごく初期の段階にあり、魚型ロボットの動きは極めて遅い。しかし、もしかしたら機械から大きなバッテリーやワイヤーが消え去り、本物の生き物のように自らを動かす未来が訪れるかもしれない。トースターのような機械ではなく、「宇宙空母ギャラクティカ」に登場する機械生物のサイロンのようなマシンを想像してほしい。

現在のロボットは、完全に機能分化されている。動力源はリチウムイオン電池で、アクチュエーターと呼ばれる四肢のモーターに、ワイヤーでエネルギーを供給する。

ミノカサゴ型ロボットにもバッテリーはあるが、全身に分散しており、ふたつのポンプと連動している。ひとつは胸びれを動かすポンプ、もうひとつは尾を動かすポンプだ。こうしたバッテリーとポンプは、既存のロボットにおけるリチウムイオン電池というよりは、生物の心臓のように機能するのだ。

PHOTOGRAPH BY JAMES PIKUL

“充電”された液体が、ロボットの内部を巡る

ひとつ目の構成要素は「血液」。その実態は、電離したイオンのかたちで充電された作動液だ。このイオンによって「血液」は、電子機器に電力を化学的に供給する。

『Nature』に掲載されたミノカサゴ型ロボットシステムに関する論文の共同執筆者のひとりで、コーネル大学でロボット工学を研究するロバート・シェパードは、「油圧の油は力を伝達しますが、伝達できるのは力だけです」と説明する。「われわれのロボットの液体は、力と電気的エネルギーの両方を運ぶのです」

この“充電”された液体が、魚型ロボットの腹部とひれに配された電池の中を流れる。それぞれの電池には陰極と陽極があり、液体が陰極と陽極を通過すると、電荷の不均衡、つまり電圧が生じる。この電圧によって、ふたつのポンプを動かす電子機器のなかを電子が流れる。ポンプが動く結果、液体が流れ続ける。

最終的には液体がイオンを失うと、電池は機能しなくなる。その結果、液体の循環が止まるが、液体を再充電すれば、魚は動き続けることができる。

「（液体の循環が止まったら）魚型ロボットから液体を抜き、イオン化した液体を再び注入することができます」とシェパードは説明する。「ガソリンスタンドで給油するようなものです」

水槽を泳ぐミノカサゴ型ロボット。VIDEO BY JAMES PIKUL

まるで油圧機器のように魚型ロボットが泳ぐ

このように、液体は魚型ロボットにエネルギーを供給する。そして同時に油圧機器と同じように、作動液として尾びれと胸びれに力を伝える。ふたつのポンプで液体を送り込むと、尾がゆらゆらと揺れて推進力となる。胸びれも同じように動き、魚型ロボットを左右に導く。

念のために言っておくと、魚型ロボットの動きは決して速くない。1分間につき、全長の1.5倍ほどしか進むことができない。「海を泳いでいたら、間違いなく食べられてしまうでしょう」とシェパードは言う。

しかし、スピードは確実に速くなっていくだろう。研究チームは電極の表面積を大きくすることで、エネルギー密度を上げようとしている。

それに伝統的な硬いボディーのロボットとは異なり、好きな場所に電池を挟み込むことができるし、体が柔らかいので追加した部品に合わせることもできる。こうして、ロボット全体に液体を循環させるポンプと電池からなる循環系を増強することができるわけだ。

いくつかの重大な制約

ただし、このシステムはいくつかの重大な制約を伴う。特に技術の進歩が著しいリチウムイオン電池を使っていないことが大きい。

マサチューセッツ工科大学（MIT）コンピューター科学人工知能研究所（CSAIL）のロボット工学者ロバート・カッシュマンは、「リチウムイオン電池に比べると、このロボットのエネルギー密度は30分の1から150分の1程度です」と指摘する。カッシュマンはリチウムイオン電池を使用する魚型ロボットを開発しているが、そのロボットはミノカサゴ型ロボットと比べて20倍速く移動できる。

さらに、ミノカサゴ型ロボットの分散したエネルギーシステムは、電池交換が手軽にできないことを意味する。「わたしが開発したプロトタイプのロボットの場合、海に行くたびに新しい電池に交換するだけです。充電が終わるまで待つ必要はありません」とカッシュマンは言う。

それでも、ロボット工学の新しいヴィジョンであるミノカサゴ型ロボットが、リチウムイオン電池式の旧来型の魚型ロボットと並んで泳ぐ日が来る可能性もある。海にはいろいろな魚がいるのだから。

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