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人間の舌は非常に奇妙なものだ。なにしろ支えになる骨もないのに、あらゆる方向に動くことができるのである。

それが可能なのは、舌が伸縮時の体積が一定となる「muscular hydrostat」と呼ばれる筋組織だからだ。舌のさまざまな部分で流体的に圧縮されることにより、あらゆる方向にくねくねと動かすことができる。ゾウの鼻や、器用なことで知られるタコの脚と同じだ。

この奇妙な筋肉からインスピレーションを受け、このほど「くねくね曲がる膨張式ロボット」が誕生した。ハーヴァード大学とイェール大学の研究者たちが開発した空気で動くアクチュエーターは、単純だが広範にわたる複雑な動きが可能になっている。一般にソフトロボットは動ける方向についての制約が大きいが、これにより新たな領域が開けるかもしれない。

任意の方向に風船が曲がる

従来のロボットよりさらに器用であるにもかかわらず、はるかに柔軟性が高い柔らかい機械を想像してほしい。要するに、ロボットの稼働領域に人間が割り込んできたとしても、けがを負わせることはないということだ。

細長い風船を使ってバルーンアートの動物をつくるところを想像してみよう。空気を吹き込むと風船は膨らみ、次第に長く太くなっていく。しかし、一方の側に沿って膨張を抑制できれば、風船を丸く曲げさせることができる。新しいシステムでは、そうした抑制機能を、1方向にだけ伸びない繊維を埋め込んだ少し風変わりなステッカーによって実現している。

VIDEO BY SANG YUP KIM

上の動画を見てほしい。繊維を縦方向に埋め込んだ2枚のステッカーによって、風船は膨らむにつれて曲がる（ちなみに、こうしたアクチュエーターには空気の代わりに液体を利用することもできる）。3枚目のステッカーには繊維が45度の角度で埋め込まれているため、風船は最後にねじれる。

アイデアの鍵を握るのは「ステッカー」

『Nature Communications』に発表された論文の共同筆頭著者であるイェール大学の研究者のロバート・ベインズは、「これ自体は風船なので、膨らませると中心から同じように膨らんで長くなります」と説明する。「ところが、膨張を抑制するステッカーを貼ることによって、このようにねじれや曲げが複合された動きを生み出すことができるのです」

VIDEO BY SANG YUP KIM

こちらの動画では、研究者が風船の長い方向に沿って繊維のステッカーを貼り付けている。この風船を膨らませると、ステッカーがある側では反対側のように膨らまないので、全体としては丸くなる動きを見せる。

VIDEO BY SANG YUP KIM

上の動画を見ると、左上の画像では素材が自由に膨張して、文字をゆがめていく。右上の画像では、左右方向の膨張が抑制されている。左下では上下方向で抑制され、右下では両方向で抑制されている。

つまり、比較的単純な仕組みによって、あらゆる方向にねじれることが可能なアクチュエーターをつくることができるのだ。このアイデアが素晴らしいのは、ちょっとした工夫を材料に組み込んだ点にある。従来のアクチュエーターでアームを特定の方向に動かすには、制御アルゴリズムを工夫しなければならなかっただろう。

さらに、従来のロボット用アクチュエーターは、金属でできたモーターを使って決まった方向に動かす。ところがこのシステムは、文字どおりの意味でもメタファーとしても“柔軟性”が高い。

柔らかいロボットの強みと弱点

この研究を率いたイェール大学助教授のレベッカ・クレーマー＝ボッティグリオは、「この膨張を抑制するステッカーを膨張型アクチュエーターの任意の表面に貼り付けることによって、膨張を特定の方向に向けることができます」と説明する。

「さらに、ステッカーをはがして別の場所に貼り付けることもできます。複数の異なる角度や、さらに複雑なパターンで重ねて別の軌跡をつくることもできます」。つまり研究者たちは、風船を再利用して違う方向に動くようにその場で変更できるのだ。

一方で、ソフトロボットには以前から深刻な制約がいくつかある。ひとつは、それらのアクチュエーターが従来のモーターのパワーには遠く及ばないという点だ。なにしろ従来のモーターには、自動車の組み立てラインで金属の大きな塊を持ち上げられるようなパワーがある。

さらに、ソフトロボット工学における素材の問題もある。もし穴が開いた場合は、故障したり、破裂したりする恐れがある。その反面、素材はソフトロボット工学の強みになる可能性もある。従来のロボットのモーターが金属製に制限されているのに対し、柔らかいロボットには強度と柔軟性を兼ね備えた最先端の材料を利用できるからだ。

すでに現場で動きだした柔らかいロボット

すでにソフトロボットは市場に参入しつつある。その名もソフト・ロボティクスという企業は、卵などの壊れやすい物体をつかめる、圧縮空気駆動型のグリッパーを製造している。

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将来的にはソフトロボットが人間と並んで作業することも考えられる。従来のロボットアームの場合、もし人間に当たったら人間を部屋の反対側まで跳ね飛ばしてしまうが、膨張型のソフトロボットであればロボットのほうが跳ね返ってしまうだろう。

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