自然は多くの技術のインスピレーションの源です。ゴキブリの爪やトカゲの微細な繊毛を模倣したロボットは、建物の壁を登ることができます。バイオミメティックロボットの世界をのぞいてみましょう。
人気番組「エクストリームアルバイト」のエピソードでは、俳優が高層ビルの窓を洗うアルバイトをします。ゴンドラに乗って窓を洗おうとする俳優の顔には高所恐怖症と身の安全に対する不安が表れており、視聴者を不安にさせます。一歩間違えば大事故につながるような難しい作業をロボットがやってくれたら最高だと思いませんか？
人間に代わって高層ビルの窓を掃除するロボットといえば、人型ロボットが掃除道具を持ってせっせと窓をゴシゴシと磨いている姿を思い浮かべる。しかし、人型ロボットよりもビルの壁を上り下りできるボディに掃除モジュールを搭載したロボットの方が効率的だろうというのが定説だ。ビルの壁を上り下りできる機能を実現するために、動物や植物の基本的な構造や原理、仕組みを模倣したロボットをバイオミメティックロボットと呼ぶ。
建物の壁を登ったり降りたりするのに目覚ましい成果を上げているロボットの 1 つが、Spinybot です。Spinybot は、ゴキブリが壁を登ったり降りたりする原理を利用しています。ゴキブリは足の繊細な毛をフックにして壁を登ったり降りたりします。壁の表面は小さな凹凸のある曲がった部分でできており、これらの曲がった部分はさまざまな方向からゴキブリの毛に触れる可能性があります。これらの毛の 1 つがゴキブリの体重を支える方向で曲がった部分に接触すると、毛にはゴキブリの体重を支える小さな力がかかります。毛 1 本あたりの力は小さいですが、複数の毛を合わせた力はゴキブリの体重を支えるのに十分な力を生み出します。Spinybot の足には小さいながらも多数の爪があり、同じ原理でロボットの体重を支えて壁を登ったり降りたりします。ただし、この方法は爪が壁に接触する確率に依存しているため、ガラスのような滑らかな壁には取り付けられません。
この限界を克服したロボットの 1 つが Stickybot です。このロボットはヤモリの足裏の構造をモデルにしています。ヤモリは粘着剤を使わずに天井や壁の上を歩くことができますが、その秘密は足裏にある何百万本もの微細な毛にあります。足裏にこれほど多くの微細な毛が生えているものがどうやって壁にくっつくのか不思議に思うかもしれませんが、これはファンデルワールス力によって可能になるのです。
ファンデルワールス力は分子間に働く小さな電気力で、非極性分子内の電子の瞬間的な偏向によって引き起こされます。非極性分子内で電子が瞬間的に偏向すると、電子が向いている側には (-) 極が、電子が比較的自由な側には (+) 極ができます。この電子の偏向を経験した分子は、隣接する分子にも影響を与えます。(-) 極は隣接する分子内の電子を反対側に押しやり、電子が逃げた側は (+) 極、電子が比較的密集している反対側は (-) 極になります。この (-) 極は隣接する分子に影響を与え、連鎖反応によってすべての分子が瞬間的に分極します。この瞬間的な分極によって分子間に静電引力が生じ、これをファンデルワールス力と呼びます。一本の繊毛が生み出すファンデルワールス力は非常に小さいが、何百万本もの微細な繊毛が密集すると、その力はトカゲの体重を支えるのに十分なものとなる。ヤモリの足の裏で起きるのと同じ現象が人間の手のひらで起きれば、その力は無視できないものとなり、人間の手のひらは約40キログラムの重量を支えることができる。スティッキーボットはまた、微細な毛構造を持つウレタンパッドを使い、ファンデルワールス力でロボットを壁に取り付ける。物理的な接触ではなく電気的な力を使うため、ガラスのような滑らかな壁の上を移動できる。
ファンデルワールス力に加えて、ヤモリの繊毛にはもう一つの特徴があります。それは方向性があるということです。これらの繊毛は、一方向に塗布すると強力な接着力を得るが、反対方向に塗布すると簡単に剥がれ落ちるという性質があります。スティッキーボットの微細な毛にも方向性があり、つまりロボットの重量が作用する下方向には大きな接着力がありますが、反対方向に剥がすのにそれほど力はかかりません。
ゴキブリの特性を利用したSpinybotとヤモリの特性を利用したStickybotはどちらも建物の壁を登ることができるバイオミメティックロボットの良い例ですが、どちらの方法もまだ時間がかかります。この問題を解決するために、研究者はより速く効率的な壁登り技術を開発するためのさまざまなアプローチを模索しています。
地球上には数百万種の動植物が存在し、それぞれ環境に適応して生き残るための独自の方法を持っています。例えば、水中でよく泳ぐ魚の鱗の構造を模倣することでロボットの表面を改良したり、木登りをするサルの手足の構造を参考にして新しいタイプのアタッチメントシステムを開発したりできます。このような研究により、バイオミメティックロボットはより多様で革新的な機能を持つことができます。まだ研究されていない動物や植物の中にも、建物の壁を素早く登るための解決策を持っているものがあるかもしれません。動植物が多様であればあるほど、バイオミメティックロボットの可能性は広がります。さらなる研究と技術の進歩により、バイオミメティックロボットの世界はますます素晴らしいものになるでしょう。
