科学者たちが塩粒程度の大きさのロボットにコンピュータを詰め込んだ

要約

• 研究者たちは、塩粒程度の大きさの自律型ロボットを作り、泳ぎ、温度を感知し、数ヶ月間独立して動作させることに成功した。
• これらのロボットは、可動部分の代わりに電場を利用している。
• 組み込みコンピュータを搭載したサブミリメートル級ロボットとしては世界初で、1台あたりの製造コストは1セント程度。

研究者たちは、自律型ロボットを塩粒の大きさにまで縮小させた。そして、そのロボットは「考える」こともできる—ある程度は。 ペンシルバニア大学とミシガン大学のチームは、顕微鏡サイズの機械（200×300×50マイクロメートル、塩の粒と同じ大きさ）を作り、液中を泳ぎ、温度変化を感知し、自律的に意思決定を行い、数ヶ月間動作させることに成功した。各ロボットの製造コストは約1セント。 これらの小さなロボットは完全に自律的だ。外部からの配線や磁場、ジョイスティックは不要。わずかなコンピュータ、センサー、推進システムが、肉眼ではほとんど見えないほどのサイズに詰め込まれている。 

「私たちは自律型ロボットを10,000倍小さくした」と、ペン工学部のアシスタント教授マーク・ミスキンは Science Daily に語った。「これにより、プログラム可能なロボットの新たなスケールが開ける。」 このブレークスルーは、40年間ロボティクスを悩ませてきた問題—1ミリメートル以下で自律的に動作する機械の構築—に対する解決策だ。電子機器は縮小し続けたが、ロボットはそうではなかった。そのスケールでの物理は過酷で、ミスキンは水中を押し進むのはタールを押すような感覚だと説明し、小さな腕や脚は壊れやすいと述べている。 そこで、チームは従来の設計を完全に捨てた。関節や曲げる代わりに、これらのロボットは周囲の液体中の荷電粒子を動かす電場を生成する。これらのイオンは水分子を引きずり、動きを生み出す。

3つのモーターを結合したロボットの周囲のトレーサー粒子の軌跡のタイムラプス予測。 (クレジット：ルーカス・ハンソン、ウィリアム・ラインハルト、ペンシルバニア大学)

このアプローチが機能する理由は、可動部分がないからだ。電極は耐久性が高く、マイクロピペットを使って何度もサンプル間で移動させても損傷しない。LEDライトで駆動され、数ヶ月間泳ぎ続ける。

これらのロボットを動かす小型太陽電池は75ナノワットしか出力しない。動作させるために、ミシガン大学は非常に低電圧で動作する回路を設計し、消費電力を1000倍以上削減した。また、ソフトウェアの仕組みも根本から見直し、通常多くの命令を必要とする処理を、微小なメモリに収まる単一の特殊命令に凝縮した。 その結果、完全なコンピュータを搭載したサブミリメートル級ロボットが誕生した。プロセッサ、メモリ、センサー—全てが揃っている。このスケールでこれまで誰も実現していなかった。

センサーとコンピュータを完全に統合し、指紋の縁に乗せられるほど小さなマイクロロボット。クレジット：マーク・ミスキン、ペンシルバニア大学 (インセット：アメリカのペニー硬貨の上にあるマイクロロボット、スケールを示す。クレジット：マイケル・シマリ、ミシガン大学)

これらのロボットは、温度を摂氏1度の3分の1以内で検知できる—華氏六分の一の精度も可能だ。温かい場所へ向かって移動したり、細胞活動の代理値となる温度値を報告したりできるため、個々の細胞の監視も可能だ。 測定結果を伝えるために、研究者たちはロボットが行う「ダンス」の動きにデータを符号化する特殊な命令を設計した。顕微鏡を通じて観察し、メッセージを解読する。これは蜂の通信方法に似ていると、ミシガン大学の電気・コンピュータ工学教授デイビッド・ブローは述べている。 ロボットは光パルスによってプログラムされ、その光も動力源となる。各ロボットには固有のアドレスが割り当てられ、異なるプログラムをロードできる。独立して動作したり、群れとして協調したりでき、魚の群れのようにパターンを描きながら秒速1体長の速度で動くことも可能だ。 将来的には、より複雑なプログラムを保存したり、新しいセンサーを統合したり、過酷な環境で動作させたりできるようになるだろう。現行の設計はプラットフォームであり、その推進システムは大量生産可能な電子機器と連携している。 「これは本当に第一章にすぎない」とミスキンは語る。「脳、センサー、モーターをほとんど見えないほどのサイズに詰め込み、数ヶ月間生き延びて動作させることができることを示した。」 「その土台さえあれば」と彼は付け加えた。「さまざまな知能や機能を重ねていくことができる。」