鳥にインスパイアされたドローン、離陸のためにジャンプできる

December, 19, 2024, Lausanne--EPFLの研究チームは、鳥のような脚を使って歩き、跳び回り、飛び跳ねたりできるドローンを構築し、無人航空機が利用できる可能性のある環境の範囲を大幅に拡大した。

「As the crow flies」は、2点間の最短距離を指す一般的な慣用句だが、EPFLの工学部のDario Floreanoが率いるLaboratory of Intelligent Systems(LIS)は、このフレーズを文字通りRAVEN(Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments)と解釈している。空と陸を頻繁に行き来する大カラスやカラスなどの止まる鳥に基づいて設計された多機能ロボット脚は、翼のあるドローンがアクセスできなかった環境で自律的離陸を可能にする。

「そもそも飛行機のインスピレーションは鳥で、ライト兄弟はこの夢を叶えた。しかし、今日の飛行機でさえ、鳥の能力にはまだほど遠い。鳥は、滑走路やランチャーの助けを借りずに、歩くことから走ること、空中へ、そして再び戻ることができる。このような動きのためのエンジニアリングプラットフォームは、ロボティクスにはまだ欠けている」とLISのPh.D学生、Won Dong Shinは言う。
RAVENのデザインは、体重を最小限に抑えながら歩行の多様性を最大化することを目的としている。鳥の脚のプロポーション(およびEPFLのキャンパスでのカラスの長時間の観察)に触発されて、Shinは固定翼ドローン用のカスタムの多機能鳥の脚のセットを設計した。同氏は、数学的モデル、コンピュータシミュレーション、実験の反復を組み合わせて、脚の複雑さとドローン全体の重量(0.62kg)の最適なバランスを達成した。その結果、脚はより重い部品を「体」に近づけ、スプリングとモーターの組み合わせは強力な鳥の腱と筋肉を模倣する。鳥類にインスパイアされた軽量の足は、2つの関節構造で構成されており、歩行、跳躍、跳躍の多様な姿勢をサポートするパッシブ弾性ジョイントを活用している。

「鳥類の脚と足を軽量のロボット システムに変換することで、鳥類が進化の過程で見事に解決してきた設計、統合、制御の問題が明らかになった」と、Floreanoは話している。「これにより、これまでで最もマルチモーダルな有翼ドローンを考案しただけでなく、鳥とドローンの両方で離陸のためのジャンプのエネルギー効率に光を当てることにもつながった。」
この研究成果は、Nature に掲載された。

配達や災害救援のためのアクセス改善
従来の歩行型ロボットは重すぎて飛び跳ねることができず、また、跳躍型ロボットは歩行に適した足がなかった。RAVENのユニークなデザインにより、歩いたり、地形の隙間を横断したり、さらには高さ26㎝の高台に飛び乗ったりすることができる。また、立ったままの離陸や落下する離陸など、飛行開始の様々なモードを実験した結果、飛び込むことが運動エネルギー(速度)と位置エネルギー(高度上昇)を最も効率的に利用することを発見した。LISの研究者は、EPFLのBioRobotics LabのAuke Ijspeert、カリフォルニア大学アーバイン校のMonica DaleyのNeuromechanics Labとチームを組み、鳥のバイオメカニクスをロボットの移動に適応させた。

これらの結果は、マルチモーダル飛行動物の設計と制御の原理、およびそれらを機敏でエネルギー的に効率的なドローンに変換するためのより良い理解に向けた第一歩にすぎない(Dario Floreano教授(知能システム研究室長)。

この結果は、空中と地上を頻繁に移動する鳥類の強力な脚のコストと利点を解明するだけでなく、起伏の多い地形を移動し、人間の介入なしに制限された場所から離陸できる翼のあるドローンの軽量設計を提供する。これらの機能により、このようなドローンを限られたエリアでの点検、減災、配送に活用することができる。EPFLチームは、様々な環境での着陸を容易にするために、脚の設計と制御の改善にすでに取り組んでいる。

「鳥類の翼は陸生四足動物の前脚に相当するが、鳥類の脚と翼の協調についてはほとんど知られていない。ドローンは言うまでもない。これらの結果は、マルチモーダル飛行動物の設計と制御の原理、そしてそれらを機敏でエネルギー効率の高いドローンに変換するための第一歩にすぎない」とFloreanoは、話している。
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