同システムは、単純な繰り返し要素で構成されており、ウナギのような形から翼のような形まで、さまざまな泳ぎ方が可能だという。
魚のように動的に形状を変化させることができる水中構造物は、従来の硬い船体よりもはるかに効率的に水を押し流すことができる。しかし、滑らかな輪郭を保ちながら体形のカーブを変えられる変形装置を作るには、長い時間と困難なプロセスを要した。例えば、MITのRoboTunaは約3,000種類の部品で構成されており、設計と製作に約2年かかったという。
今回、MITの研究者ら（初代RoboTunaチームの研究者を含む）は、変形可能な水中ロボットを作るための革新的なアプローチとして、独自の部品ではなく、単純な繰り返し部分構造を使用することを思いついたのだという。研究チームは、この新しいシステムを、ウナギのような構成と翼のような水中翼船という2種類の構成例で実証。しかし、研究者によると、原理自体は形状と規模の事実上無制限のバリエーションを可能にする。
この研究は、MITの研究助手Alfonso Parra Rubio氏、Michael Triantafyllou教授、Neil Gershenfeld教授、その他6名による論文で、2023年2月6日、Soft Robotics誌に報告された。
既存の海洋用ソフトロボットのアプローチは、一般に小規模で作られているという。実際の有用なアプリケーションの多くは、メートル単位のデバイスを必要とする。研究者たちが提案する新しいモジュール式システムは、現在のシステムをスケールアップするために必要となるような改造や再設計は不要で、それ以上のサイズに簡単に拡張できるという。
Parra Rubio氏は次のようにコメントしている。
Parra Rubio氏：スケーラビリティは、私たちの長所です。現在使われているほとんどの技術は、より大きなサイズに移行する際に「高密度の材料に依存しており、大きな問題に直面している」のに対し、このシステムを構成するボクセルと呼ばれる格子状の部品は低密度で剛性が高いため、「スケールアップを続ける余地がある」。
研究チームの実験的な概念実証装置の個々のボクセルのほとんどは、複雑な形状の細い支柱を持つ鋳造プラスチック片からなる中空構造となっている。この箱のような形状は、ある方向には荷重がかかるが、他の方向には柔らかい。硬い部品と柔軟な部品を異なる割合で配合することで、このような珍しい組み合わせが実現されているのだという。
Parra Rubio氏：ソフトなロボットとハードなロボットを区別することは、誤った二分法です。これは、その中間に位置するもので、物を構成する新しい方法なのです。
さらに、MITのCenter for Bits and Atomsの責任者であるGershenfeld氏は、次のようにコメントしている。
Gershenfeld氏：これは、両方の良い要素を融合させた第三の方法です。
海洋科学と工学におけるThe Henry L. and Grace Dohertyの教授であり、RoboTunaチームの一員だったTriantafyllou氏は、次のようにコメントしている。
Triantafyllou氏：体表の滑らかな柔軟性により、抵抗を減らし、推進効率を向上させる流れの制御が可能になり、燃料を大幅に節約することができます。
研究チームが製作した装置の1つでは、ボクセルが端から端まで長く連なって取り付けられており、長さ1メートルのヘビのような構造体を形成している。本体は、それぞれが5つのボクセルからなる4つのセグメントで構成されており、中央のアクチュエーターが、左右2つのボクセルに取り付けられたワイヤーを引っ張り、それらを収縮させて構造体を曲げることができるようになっている。
そして、20個のユニットからなる構造体全体をリブ状の支持構造体で覆い、さらにぴったりとした防水ネオプレンの皮で覆っている。研究者らは、この構造体をMITの曳航水槽に投入して水中での効率を調べ、確かにうねり運動を利用して自らを前進させるのに十分な推進力を発生させることができることを実証したという。
Gershenfeld氏：ヘビのようなロボットは、これまでにもたくさんありました。しかし、それらは一般的にオーダーメイドの部品でできており、スケーラブルなこの単純なビルディングブロックとは対照的です。
例えば、Parra Rubio氏によると、NASAが作ったヘビ型ロボットは、何千ものユニークな部品で構成されていたのに対し、このグループのヘビは「60ほどのパーツがあることを示している」という。また、MITのロボツナの設計・製作に2年を費やしたのに比べ、この装置は2日程度で組み立てられた。
もう1つの装置は、翼のような形状のハイドロフォイルで、同じボクセルの配列でできているが、プロファイル形状を変えることができるため、揚抗比や翼の他の特性を制御することができる。こういった翼のような形状は、波による発電から船体の効率向上まで、さまざまな用途に利用できる可能性があるという。船舶は二酸化炭素排出の大きな原因であるため、これは急務だとしている。
翼の形状は、蛇とは異なり、鱗のように重なったタイルの配列で覆われており、翼が曲率を変えても、互いに押し付け合って防水シールを維持するように設計されている。その応用例として、船体形状に何らかの工夫をすることで、抵抗となる渦の発生を抑え、船全体の効率を向上させることができるのではないかと考え、研究チームは海運業界の関係者とともにその可能性を探っているという。
オルデンドルフ・キャリアーズ社のグローバル・エンゲージメントとサステナビリティ担当マネージング・ディレクターのScott Bergeron氏は、次のようにコメントしている。
Bergeron氏：MITチームが細胞システムにおける流体力学的モーフィングの実現可能性を示したように、一連の革新的技術は、従来の設計に有望な変化をもたらし、船舶の二酸化炭素排出量を削減するという国連の使命の課題に対応するのに役立ちます。
最終的には、クジラのような潜水艇に応用され、変形可能な体型を利用して推進力を生み出すことができるかもしれないという。そのような船は、水面下にとどまることで悪天候を回避可能だが、従来の推進力のような騒音や乱流はないとしている。このコンセプトは、レーシングヨットなど他の船舶にも応用でき、キールや舵が直線ではなく緩やかにカーブすることで、さらなる優位性を得られる可能性があるという。
Gershenfeld：硬直した状態やフラップではなく、魚のようにカーブを描くことができれば、より効率的に旋回することができます。
研究チームには、中国Westlake大学のDixia Fan氏、Discrete Lattice Industries社のBenjamin Jenett氏（SM '15, PhD ' 20）、MITのJose del Aguila Ferrandis、Amira Abdel-Rahman、David Preiss、ギリシャのDemokritos Research CenterのFilippos Tourlomousisが参加。同研究は、米国陸軍研究所、CBAコンソーシアム資金、MITシーグラントプログラムの支援を受けている。
