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昆虫サイボーグ、蘇るシーラカンス、飛翔する蝶、泳ぎ回る鯛…夏休み☆昆虫ロボット大集合!鳥や魚の仲間も登場!
昆虫の動きを模した精密なロボットが今、世界中で開発されている。目的は様々だが、こうしたロボットは見ているだけで楽しいもの。昆虫だけでなく鳥や魚も含めて、精密ロボットが大集合する!
(取材・文/総研スタッフ 高橋マサシ) 作成日:13.08.09
昆虫サイボーグ、蘇るシーラカンス、飛翔する蝶、泳ぎ回る鯛…夏休み☆昆虫ロボット大集合!!
チップの電気信号で制御する「昆虫サイボーグ」が飛ぶ!/シンガポール南洋理工大学 工学部 機械航空学科 佐藤裕崇准教授
 甲虫にマイクロチップを埋め込み、その飛行を無線でコントロールする。現実とは思えない「昆虫サイボーグ」の研究を続ける日本人研究者がいる。どうやって昆虫を制御し、意図したように飛行させるのか。
ロボットについて
 生きたカナブンに小型のマイクロチップを取り付け、電気信号で筋肉や神経を刺激することで飛行、旋回、停止を無線制御する。離陸と着陸は視神経、左右への旋回は1つの飛翔筋肉への刺激で行う。
 マイクロコントローラーやアンテナを搭載したチップのサイズは15mm四方、重量は1.22g。チップと共にカナブンに載せたバッテリーにより駆動時間は連続で30分、スリープ状態で24時間。通信範囲は20m。カナブン(カブトムシ)の最大積載量は3g、成虫の寿命は180日とされる。
カナブンの昆虫サイボーグ(左にあるのが取り外したバッテリー)
カナブンの昆虫サイボーグ(左にあるのが取り外したバッテリー)
ロボット開発のきっかけ
「ミシガン大学およびUCバークレー校に在籍していたときから、昆虫サイボーグの研究を始めました。アメリカのDARPA(国防高等研究計画局)で募集したプロジェクトがきっかけですが、プロジェクト自体が終了した後も、現在のシンガポール南洋理工大学で独立して研究を続けています。
 昆虫は優れた飛行体ですから、自由に制御できれば、レスキュー支援や犯罪捜査などに活用できると思っています。例えば、温度センサーを付けて被災地のがれきの中を飛行させ、要救助者を捜索するなどです。
 昆虫には当初からカブトムシを考えました。ただ、サイズが大きくて力持ちの「オオツノカナブン」に出会うまでが大変でした。アメリカでは日本のように昆虫を飼育する習慣がないため、中々手に入らないのです。一方、デバイスについては、ボードは自作していますが、マイコンも小型電池も市販のもので十分実験に臨めます」
最も苦労した点、こだわった点
「デバイスを作るのはさほど難しくありません。大変なのは『どの筋肉や神経を刺激すればどう動くのか』を知ることです。解剖して刺激を与えながら学んだのですが、飛行のためには9対の筋肉が関わっており、そのひとつが旋回を担う筋肉であることを突き止めました。
ただ、ほかの8対の研究はまだですし、正確な制御のためには電気刺激の強度の把握も必要です。このために筋肉の活動を可視化する研究も進めており、日本の科学技術振興機構(JST)とA*STARというシンガポールの研究支援機構のサポートを受けて、早稲田大学のバイオサイエンスシンガポール研究所(WABIOS)と共同で実験を行っています。
また、随時電力を与えるためには、電池を絶えず充電する仕組みが必要です。こちらは昆虫の体液の『糖』を使った、バイオ燃料電池を作ろうと研究を進めています。実用化は10年先と見ています。
メリットは、甲虫は筋肉の配列が共通していること。今のカナブンで成功できれば、ほかの甲虫にも応用できるわけです。不可能に思われるかもしれませんが、将来は『てんとう虫』のサイボーグ化を考えています。まだ先の話ですが」

詳しい説明はこちら > Frontiers in Integrative Neuroscience
羽を広げた様子
羽を広げた様子
マイクロチップとバッテリー
マイクロチップとバッテリー
姿も動きも本物そっくり! 水中をしなやかに推進、旋回する/長崎大学 工学部 機械システム工学科 山本郁夫教授
 日本人には身近な魚である「鯛」。その鯛が実物とそっくりの姿と動きで水の中を泳ぐ。推進、旋回、静止も自由に行い、ひれだけでなく目や口も動くので、思わず釣りたくなるほどだ。「仲間」にはエイやサメなども。
ロボットについて
 サイズは全長80cm、重量8kg。弾性振動翼により尾びれと胸びれが動き、推進、旋回、静止などの運動を行う。水中での推進速度は時速4km。目と口が動くことによりリアルさが増している。バッテリー、センサー、浮力調整システムを内蔵し、ケーブルなしで運動する。動力源は電気モーター。
鯛ロボット
鯛ロボット
ロボット開発のきっかけ
「当初はスクリューで進む潜水機の研究をしていましたが、水族館で見た魚の動きのほうが効率的だとわかり、魚ロボットの研究を始めました。魚の動きのデータを取るなどして、1989年に「弾性振動翼推進システム」の原理を発明し、1995年に世界初の本物そっくりに泳ぐ魚ロボットを開発しました。ギネス認定済みで、国内外で特許も取得しています。
 従来のプロペラを用いた潜水機に比べて、環境へのやさしさと運動能力を向上させたことが特徴です。しなやかなにひれを動かす弾性振動翼の原理は、医療用鉗子(外科手術用)や宇宙での作業ロボット、海洋開発にも応用されています」
最も苦労した点、こだわった点
何もないところから創る生みの苦しみはたくさんあります。こだわりは柔らかい構造を、金属などの剛の部材で作るところです。エイ型ロボットや東雲坂田鮫のロボットなど、今までに15種類ほどの魚ロボットを研究・開発しています」

詳しい説明はこちら > 長崎大学 山本郁夫研究室ホームページ
ロボット内部の機構
ロボット内部の機構
「羽ばたき」を再現させて、ひらひらと宙を舞う/千葉工業大学 工学部 未来ロボティクス学科 菊池耕生教授
 1秒間に羽ばたく回数が少なく,比較的関節数が少ない蝶の飛翔。この「ひらひら」と飛ぶ動きは、ほかの昆虫にはない独特のものだという。そんな蝶のロボットは、大きく翅を上下させて「ひらひら」と宙を舞う。
ロボットについて
 サイズは翼幅11cm、全長7.5cm、重量500mg。バッテリーではなく、ゴムで後部のクランク機構を動かして2枚の翅を上下させる。飛び立ちのときは対気速度(飛行体と大気との相対速度)がないため、羽ばたきのみで自重以上の揚力を生み出すように設計。フラッピング運動(翅の上下動)と同時に、リードラグ運動(翅の前後動)と腹振り運動を行う
蝶ロボット
蝶ロボット
ロボット開発のきっかけ
「鳥でもトンボでもない『蝶型』に興味があります。工学的見地からはベストではないかもしれませんが、蝶の飛翔能力に追いつくまでは、蝶の飛翔メカニズムを模倣したいと思っています。
 蝶型とは、羽ばたき角が大きいこと(左右の翅を打ち付けるようにして羽ばたく)、腹を振ること、尾翼がないこと、翅のアスペクト比(縦横比)が低いこと、ピッチ角を周期的に振動させながら階段状に飛ぶことなどが特徴です」
最も苦労した点、こだわった点
「われわれの蝶ロボットの0.5gとは一円玉の半分の重さです。小さく軽く作ることに苦労していますし、数値解析面でも難関はたくさんあります。モーターを付けて『数分間自律的に羽ばたいて飛ぶ』のなら、翼幅20cmで10gぐらいが現在実現できる限界だと思います。動力にモーターを使わずゴムなどにすれば、翼幅10cmで1gぐらいでしょうか。外部電源を動力にすればもっと小さくできます」

詳しい説明はこちら > 未来ロボティクス学科
蘇った古代魚ロボットは水族館の中にいる/金沢工業大学 工学部 ロボティクス学科 佐藤隆一教授
 「生きた化石」と呼ばれるシーラカンスがロボットで蘇った。特徴である「ひれ」も忠実に再現され、それらを使って水中も泳げる。水族館の「アクアマリンふくしま」(福島県いわき市)で子供たちに大人気だ。
ロボットについて
 シーラカンスの実物大で全長1.2m。左右の胸びれと腹びれ、第2背びれ、第1臀びれの3対6枚のひれは、1台のモーターによって実物と同じく周期8秒で往復運動する。ひれの運動終了後には目玉が動く。基本的には展示用だが、モーターの部分を防水にすれば、水中で動作させることも可能。
シーラカンスロボット
シーラカンスロボット
ロボット開発のきっかけ
「『アクアマリンふくしま』さんから協力の要請があり、共同で研究・開発を始めました。シーラカンスは3対6枚のひれを、一定の周期で往復運動させて推進します。この水族館で撮影したビデオを基にひれの動作を解析して、3対のひれは脊髄から出された単一の信号から位相を反転させるなどして作った、3種の信号により運動しているとわかりました。
 この結果から、1台のモーターで3対6枚のひれを一定の周期で運動させる機構を採用し、卒研生12名全員の協同作業で製作しました。ボタンを押すと約20秒間、モーターとギアでヒレを動かす仕組みが観察できます」
最も苦労した点、こだわった点
「サイズを実物と同一としたため、機構部分の外形寸法を、外装内部に完全に収容されるよう制限したことです。また、水族館に展示するため、1日8時間の連続運転で5年間故障なく作動すること、子供たちによる想定外のボタン操作にも異常な動作をしないことに気を付けました」

詳しい説明はこちら > 金沢工業大学ニュース
ロボットの機構部分
ロボットの機構部分
ラジコンの「鳥型羽ばたきロボット」が宙を舞う/自作工房さん
 「鳥型羽ばたきラジコン」の開発にひとりで取り組む「自作工房」さん。「SmartBird」の動画を参考に「試作一号機」を完成させた後、独自の改良を加えた「試作二号機」ももうすぐ完成。この人はいったい何者?
ロボットについて
 多関節リンクによって鳥のような飛翔ができる。翼先端にサーボを取り付け、羽ばたきに合わせて翼をねじることで、効率的な推進力を発生させている。旋回はサーボを利用し、意図的に左右の推進力に差をつけて行う。駆動はブラシレスモーター。サイズは翼幅1450mm、全長650mm、重量170g
鳥型羽ばたきラジコン 試作二号機
鳥型羽ばたきラジコン 試作二号機
ロボット開発のきっかけ
「実家が農家で、稲作の害鳥被害が毎年のようにあり、大型の鳥に似せたロボットを作って威嚇できないかと思いました。ただ、プロペラ型のラジコンでは、万一墜落したときに農作物や人に被害が出ます。飛翔タイプなら比較的安全ですし、鳥に似せれば鳥追効果も高いと考えました。
 リアルな飛翔方法はないかと考えていると、海外で『SmartBird』という鳥型の羽ばたきロボットを目にて、動画サイトの動画を参考に開発したのが試作一号機です。現在は二号機もほぼ完成し、翼を折りたためるタイプと、外観を猛禽類に似せたタイプの羽ばたきロボットを試行錯誤中です」
最も苦労した点、こだわった点
「一号機はSmartBirdの完全なコピーで、翼の動かし方に不満がありました。そこで、全く別のリンク機構に変えて、翼を伸ばし切ってから振り下ろすように改善し、効率よく空気を翼で受け止められるようになりました。苦労したのは、市販のPOM樹脂ギアだと耐久性が低いので、PEEK樹脂からギアを切削して作ったことですね」

詳しい説明はこちら > 自作工房 鳥型羽ばたき飛行機の探求
鳥型羽ばたきラジコン 試作一号機
鳥型羽ばたきラジコン 試作一号機
モーターとバッテリーを積んで、8の字飛行も!/千葉大学大学院 工学研究科 人工システム科学専攻 劉浩教授
 鳥の中でも最小の部類に入るハチドリ。この羽ばたき飛行ロボットは、超小型モーターとバッテリーを備え、前進だけでなく尾翼(ラダー)の角度を変えることでの旋回も可能。全長10cm、3gに満たない体で8の字飛行もこなす。
ロボットについて
 4枚の薄い翅を超小型モーターで上下させ、羽ばたきで5〜6分間の飛行が可能。羽ばたきの回数は最大で1秒間に40回。尾翼角度の操作と合わせると旋回飛行もできる。サイズはハチドリとほぼ同じで、胴の長さは約10cm、重量は充電池を積んでいる状態で2.6〜3.0g。
ハチドリ羽ばたき飛行ロボット
ハチドリ羽ばたき飛行ロボット
ロボット開発のきっかけ
「災害地や事故現場などでは、人が入ることのできない狭い空間や危険な場所が多くあります。こうした場所で撮影や情報収集などを行う、『災害用ロボット』の実用化をハチドリで考えました。昆虫や鳥のように、『ホバリング』できるような羽ばたき飛行ロボットの研究・開発をしています。
 ハチドリは鳥類の中でも世界最小のグループに属する鳥で、重さが3gに満たないものも珍しくありません。このロボットはハチドリのように、翅の表面に強いマイクロ渦を発生し、大きな揚力と推力を作り出して飛行します」
最も苦労した点、こだわった点
「われわれが最も持っているこだわりとして、ハチドリと同程度のサイズと重さを有することと、高い羽ばたき速度を出すことがあります。こうした条件で羽ばたき飛行を実現するためには、とにかくあらゆる部品に対して軽量化を図らなければなりません。そのために材料にカーボンやフィルムを使うなどの苦労を重ねました」

詳しい説明はこちら > バイオメカニカルエンジニアリング研究所
ハチドリの計算機モデルとシミュレーションによる渦流れの様子 ハチドリの計算機モデルとシミュレーションによる渦流れの様子
マイクロ加工技術が生み出す「小型」と「飛翔型」/工学院大学 工学部 機械システム工学科 鈴木健司教授
 バッテリーを積んで前進に飛翔し、旋回もできるトンボロボット。小型化にはマイクロ加工技術を用いた、折り紙構造による一体成形がポイントだ。研究室にはアリ型、アメンボ型、蝶型などもあり、昆虫型ロボットが盛りだくさんだ。
ロボットについて
 小型化を目指したロボットと、飛翔性能の向上を目指したロボットの2種類を製作。前者は翅を広げた全幅が140mm、全長30mm、重量2.5gで、バッテリーを積んでの自立飛翔はまだできていない。後者は全幅320mm、全長95mm、バッテリーを含めた重量が14.5gで、自立的に前進飛翔、旋回などができる。
折り紙構造による小型トンボロボット
折り紙構造による小型トンボロボット
ロボット開発のきっかけ
「もともとの専門であるマイクロ加工技術やMEMS技術を生かして、トンボのように小型で空中を自由に飛翔可能なロボットを作りたいと考えました。トンボなどの昆虫は、飛行機やヘリコプターとは異なる、小さい構造に適した飛び方をしています。トンボの飛翔を解析し、小さいロボットに適した飛翔方法を研究しています。
 私は『小さいからこそできる機能』(大きなロボットにはできない機能)に着目しています。ほかにも、蝶の羽ばたき飛翔ロボット、アメンボを模倣した水面移動ロボット、アリなどに学んだ壁面歩行ロボットなどを研究・開発しています」
最も苦労した点、こだわった点
「小型化と軽量化が欠かせません。そこで、一枚の薄い板からロボットを平面に展開した構造を精密に加工し、折り紙のように折り曲げて、立体構造を組み立てています。性能面では、『共振』という現象を利用した効率のよい飛び方を採用し、前翅と後翅の羽ばたきのタイミング(位相差)を最適化して、揚力や推進力の向上を図っています」

詳しい説明はこちら > MS_reseach
マイクロ加工により製作した部品(組立前) 左:自立飛翔可能なトンボロボット

右:マイクロ加工により製作した部品(組立前)
体液で燃料電池を作りデバイスを駆動、探査に出発!/大阪大学大学院 工学研究科機械工学専攻 森島圭祐教授
 昆虫の体液からバイオ燃料電池を開発し、昆虫自体を半永久的な電源とする。放射能に強い耐性を持つゴキブリを使えば、各種センサーを搭載して、汚染地域の探査や調査もできる。嫌われものの昆虫がヒーローになるかも?
ロボットについて
 体長7cm程度のマダガスカルゴキブリの体液を利用して、バイオ燃料電池を開発。数個を接続することで、メモリICなどの簡単なICが駆動可能。昆虫が自ら発電し続ける半永久的な電源となるため、放射能への抵抗力が強いゴキブリにカメラや放射線測定機を搭載すれば、災害用昆虫サイボーグの実現も夢ではない。
燃料電池を搭載したゴキブリ
燃料電池を搭載したゴキブリ
ロボット開発のきっかけ
「昆虫の筋細胞に着目してバイオアクチュエータの研究をしていたときに、昆虫の体液そのものをエネルギー源とする燃料電池ができないかと着想しました。その後、体液に多く含まれるトレハロースという糖分を燃料とした、バイオ燃料電池の開発に成功し、数十µW程度の電力が得られました。昆虫は1匹当たり約200mAh(携帯電話用バッテリーの約4分の1)の電気容量を持っていると考えられ、大変有用な電池と言えます
 特にゴキブリは生命力が高く、放射能に対する抵抗力も人間の5倍以上と言われています。この昆虫をロボットとして利用できれば、有能な探査ロボットになります」
最も苦労した点、こだわった点
「出力と寿命の向上です。昆虫体液には発電に不要な成分が多く含まれており、これらの成分が電極に付着することで電極上の酵素が劣化し、電池性能が低下します。この防止に最も苦労しました。今後は、昆虫に開発したバイオ燃料電池とセンサーなどを搭載し、昆虫を自律分散型ロボットとして利用したいと考えています」

詳しい説明はこちら > 大阪大学大学院工学研究科 森島研究室
マダガスカルゴキブリ
マダガスカルゴキブリ
昆虫の体液で動く燃料電池
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高橋マサシ(総研スタッフ)からのメッセージ 高橋マサシ(総研スタッフ)からのメッセージ
最初は「昆虫ロボット」のみで取材対象を探していたのですが、「鳥類」や「魚類」などが見つかって、それがまたユニークなものばかり。記事で紹介した以外にも色々なロボットが開発されていますから、興味のある方はぜひ検索してみてください。

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