ソフトロボティクスの魚で気候変動と闘う

ロード アイランド (海洋州) で育った私は、水のすぐ近くに住んでいました。 何年にもわたって、私は海面上昇と急速な浸食の影響を見てきました。 家全体とビーチは、潮によってゆっくりと消費されています。 私は、気候変動が海洋生態系を急速に変化させている様子を直接目の当たりにしました。 容赦ない気候変動に圧倒されることもあります。 このようなグローバルでほとんど理解できないジレンマに直面して、私たちは何ができるでしょうか? この認識を克服する唯一の方法は、たとえ小さなことでも、自分の人生で何かをすることを約束することです. このような大きな問題がある場合、前進する唯一の方法は、小さく始めて、自分が取り組むことができるニッチを特定し、その課題を解決するために研究をどのように形作ることができるかを確認することだと思います.

主要な課題の 1 つは、地球規模の海洋温度の急速な上昇です。 科学者が温度データを使用して気候の関連付けを行う場合、通常、ブイまたは海底に取り付けられた固定温度ロガーを使用します。 残念ながら、これは海面と海底の間の面積を割り引いています。 変動する海の状態は、一般的な気候傾向の影響を受けない海のポケットである微気候を作り出します。 科学者たちは、ほとんどの生物がこれらの微気候を通じて気候変動を経験していることを示しています。 魚は最小限の温度範囲でしか産卵できないため、この急激な温度上昇の影響を大きく受けます。 微気候は、急激に温度を変化させています。 したがって、多くの種は生き残るのに十分な速さで適応できません。 このままでは2100年までに魚種の60%が絶滅する可能性がある。

もちろん、急激な温度上昇の影響を受ける生物は魚だけではありません。 グレート バリア リーフのサンゴは、最小限の温度しきい値でしか生き残ることができず、温度が上昇するにつれて、サンゴ礁は大量のサンゴの白化を経験します。 グレートバリアリーフを監視する政府機関であるオーストラリア海洋科学研究所の AIMS は、ボートの後ろに引っ張られたダイバーを利用して、サンゴ礁の観察を記録し、データを収集します。 残念ながら、これはサメの攻撃によるいくつかの死傷者をもたらしました. 彼らは、このリスクを軽減できる、長さ約 7 フィートの大型オーシャン グライダーの配備を開始しました。 これらのロボットの価格は、125,000 ~ 500,000 ドルと高額です。 また、サンゴ礁の一部を移動するには大きすぎます。

Worcester Polytechnic Institute の Soft Robotics Lab での私たちのソリューションは、国立科学財団の未来のロボットの職場研究開発プログラムによって部分的に資金提供された、自由に泳ぐ (テザーレス)、生物学的にヒントを得たロボット魚を構築することです。 私たちの目標は、ロボットがグレート バリア リーフの複雑な環境をナビゲートし、水柱全体の緻密な 3 次元温度データを記録することです。 また、魚体には無害で手頃な価格の素材を使用します。 私たちの動機は、気候研究に使用するツールを作成することなので、安価で製造しやすいロボットがその有効性を高めます。 私たちのアプローチは、騒音が大きく、水中生活に不調和なプロペラを利用する従来の自律型水中車両とはまったく対照的です。 私たちは、ロボットの環境への影響を減らし、他の本物の魚を近くで観察できるようにするために、本物の魚の動きを模倣することにしました。

もちろん、魚型ロボットを作ったのは私たちが初めてではありません。 1994 年に、MIT は完全に剛体の魚ロボットである RoboTuna を製造し、それ以来、魚ロボットのさまざまな反復が行われてきました。 ロボツナのように完全に剛性のある素材で作られたものや、魚に動力を与える尾部 (後ヒレ) の作動を実行するモーターを使用したものもあります。 ただし、これは実際の魚が泳ぐときの流体の動きを再現するものではありません。 考えられる解決策は、柔らかい素材を使用することです。 この時点までの柔らかい素材を使用した設計では、シリコン、空気圧または油圧で作動するテールを利用しています。 残念ながら、これらのロボットは過酷な環境では動作しません。シリコンに切り傷や摩耗があると、システムに漏れが発生し、尾の作動に完全な障害が発生する可能性があるためです。 他のロボットは、より耐久性と剛性の高い素材を組み合わせ、ケーブルで作動させ、水の力で曲がる柔らかいシリコンの端を取り付けました。 これらの以前のロボットはすべて製造が難しく、再現するには組織の知識が必要です。

MIT ロボチューナと MIT SOFI ロボット

小さなロボット魚を動かすことができる柔らかい素材で作られた、ケーブルで作動するウェーブ スプリング テールを 3D プリントで作成しました。 ウェーブ スプリングは、ロボットに生物学に着想を得た形状を与えますが、シリコンベースのロボットや本物の魚のように滑らかに曲がることができます。 スプリング ウェーブは、手頃な価格で使いやすい柔軟な素材から完全に 3D プリントされています。 この材料と方法により、非常に柔らかく耐久性のあるロボットが作成され、過酷な処理に耐え、ロボットのシステムを劣化させることなく何十万回も動作します。 このロボットは、組み立てが非常に簡単で、ほとんどの部品を 3D プリントできるため、他とは一線を画しています。

ウェーブ スプリング自体は、生物学にインスパイアされたデザインです。 サンゴ礁の魚は形態学的に多様ですが、先細りの楕円形のデザインでエミュレートする同様の体型を共有しています。 ウェーブ スプリング自体は、圧縮して曲げることができるダイヤモンド形のセルのメッシュで構成されています。 ロボットを横方向の曲げのみに制限するために、ウェーブ スプリングの背側と腹側の端にサポートを追加しました。

このデザインを使用して、ロボット魚を作成することに成功しました。 ロボットは、水槽、プール、湖で自由に泳ぐことができます。 これらの環境で魚をテストしたところ、ロボットの速度とパフォーマンスは、同様のパラメーターで動作する他の魚ロボットに匹敵することがわかりました。 ロボットを防水する (テザーレス スイミングに必要な電子機器を保護する) ために、ラテックス スキンを追加する必要がありました。 これにより設計の複雑さが増すため、ロボットの性能だけでなく、シンプルで高機能なロボットを実現するための設計も改善する予定です。

最も重要なことは、温度などのデータを収集するために必要なセンサーを追加することです。これは、急速に変化する海洋の微気候をよりよく理解するために不可欠です。 この目標は、ロボットの設計だけでなく、なぜこの仕事をするのかという私たちのモチベーションにも影響を与えるため、この目標に集中し続けることが重要です。 気候変動は、私たちの世界が直面している最大の危機です。 この問題について何かできるのは私たちだけなので、分野に関係なく、誰もが自分の興味や仕事を何らかの形でこの問題に結び付けることをお勧めします。

タグ: 生物にインスパイアされた、c-Research-Innovation


Robin Hall は Worcester Polytechnic Institute の PhD 候補者です。

Robin Hall は Worcester Polytechnic Institute の PhD 候補者です。

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