我が国は見知らぬ土地で戦争をしており、戦いが始まろうとしています。敵の地上部隊は、わずか 3.2 km (2 マイル) 離れたところにある我が軍を攻撃する態勢を整えています。しかし、敵は、頭上を飛んでいる小型カメラを搭載したロボット昆虫によって、その一挙手一投足が監視されていることを知りません。マイクロエアビークル（MAV）と呼ばれるこれらの小さなロボット飛行体は、下にいる敵軍にほとんど気付かれずに敵の領土上空を飛び回ることができるでしょう。この 10 セントほどの大きさの飛行ロボットを二度見する人はほとんどいないでしょう。
これらの MAV の開発には数百万ドルが費やされています。偵察任務中に兵士を危険から遠ざけるのに最適な方法です。今日、戦闘中に偵察を行うには、通常、小規模な兵士チームまたは大型航空機を危険にさらす必要があります。同時に、地上兵士は衛星画像にすぐにアクセスできるわけではありません。
(DARPA) は、長さ、幅、高さが 6 インチ (15 cm) 以下の MAV を開発するためにいくつかの研究チームに資金を提供しています。これらの小型航空機は、これまでに開発されたどの無人航空機（UAV）よりも一桁小さいでしょう。これらの MAV の 1 つのクラスは、ハエ、ミツバチ、トンボなどの特定の昆虫の飛行動作を模倣するように設計されています。この記事では、これらのバグのような MAV に焦点を当てます。ハエがどのように飛ぶのか、ハエの動きを模倣する機械をどのように構築するのか、そしてこれらの小さな空中装置がどこに配備されるのかを学びます。
飛ぶことを学ぶ
ハエは、固定翼機の研究からは学べない航空について多くのことを教えてくれます。何年もの間、昆虫の飛行機構についてはほとんど知られていませんでしたが、昆虫は世界最古の飛行士グループであり、自然の戦闘機とも呼ばれます。マルハナバチは従来の空気力学に従って飛行できないという話を聞いたことがあるかもしれません。それは、昆虫の飛行の背後にある原理が、固定翼飛行機の飛行の背後にある原理とは大きく異なるためです。
カリフォルニア大学バークレー校の生物学者マイケル・ディキンソン氏は、「技術者らはマルハナバチが飛べないことを証明できると言っている」と語った。 「そして、固定翼航空機の理論を昆虫に適用すると、昆虫は飛べないと計算されます。別のものを使用する必要があります。」
ディキンソン氏は、昆虫の飛行原理を利用した小型飛行ロボットを開発している の一員です。このプロジェクトは DARPA と協力しています。 MFIプロジェクトは、幅が約10～25ミリメートル（0.39～0.98インチ）で、DARPAのサイズ制限である6インチ（15センチメートル）よりもはるかに小さく、羽ばたき翼を使って飛行するロボット昆虫を提案している。プロジェクトの目標は、の飛行を再現することです。
「飛行機の仕組み」という記事を読んだ方は、空気が翼の底部に沿って移動するよりも翼の上面を速く移動するため、飛行機は揚力を生成することをご存知でしょう。これは定常状態の空気力学と呼ばれます。ハエやミツバチの羽は常に動いているため、同じ原理を適用することはできません。
「安定したほぼ無粘性（粘性のない）流れ力学を持つ固定翼航空機とは異なり、昆虫は翼を動かすときに生じる小さな渦や旋風に囲まれた渦の海の中を飛びます。」とZ. Jane Wang氏は述べています。の物理学者。渦とは翼によって作られる空気の渦のことで、渦の中の空気は主流の空気の流れとは逆方向に流れます。
昆虫の羽によって生み出される渦は、昆虫を空中に保ちます。ディキンソンのグループは、昆虫がどのように揚力を得て空中に留まるかを説明するために、次の 3 つの原則を概説しています。
- 遅延失速– この昆虫は、高い迎角で翼を前方に振り上げ、通常の飛行機の翼よりも急な角度で空気を切り裂きます。このような急な角度では、固定翼航空機は失速して揚力を失い、翼にかかる抗力の量が増加します。昆虫の羽は、翼の表面に前縁の渦を発生させて揚力を生み出します。
- 回転循環– ストロークの終わりに、昆虫の羽が後方に回転し、バックスピンがテニス ボールを持ち上げるのと同じように、昆虫を持ち上げるバックスピンを生み出します。
- ウェイクキャプチャ– 翼が空気中を移動すると、翼の後ろに空気の渦が残ります。昆虫が戻りのストロークのために羽を回転させると、自らの後流に切り込み、空中に飛び続けるのに十分なエネルギーを獲得します。ディキンソン氏は、昆虫は羽が止まった後でも航跡から揚力を得ることができると言う。
「昆虫ロボットを構築することで、これらのメカニズムも利用できれば、本当に素晴らしいでしょう。しかし、既知の原理に基づいて構築することは現在不可能です。問題を根本的に考え直す必要があります」とディキンソン氏は述べた。次のセクションでは、研究者がこれらの原則をどのように取り入れて、ロボット飛行昆虫の作成に適用しているかを学びます。
ロボバグは飛行の準備をする
昆虫の飛行原理にインスピレーションを得た、DARPA の資金提供による MAV プロジェクトが少なくとも 2 つあります。マイケル・ディキンソンがバークレーでマイクロメカニカル飛行昆虫を開発している間、ジョージア工科大学の研究エンジニアであるロバート・マイケルソンは昆虫捕獲器の開発に取り組んでいます。両方のプロジェクトを詳しく見てみましょう。
昆虫捕虫器
2000 年 7 月、マイケルソンはマルチモーダル電気機械昆虫とも呼ばれる昆虫捕獲器の発明に対して、ジョージア工科大学リサーチ コーポレーションに特許を与えました。米国特許番号 によると、昆虫捕獲器は屋内での操作が可能なように設計されています。翼を羽ばたかせて揚力を発生させ、昆虫の戦いを模倣します。さらに、研究者たちは、昆虫捕獲器が廊下や換気システムを移動し、ドアの下を這う方法を研究しています。
Entomopter の基本的な部分を見てみましょう。
- 胴体– 大型の航空機と同様に、これは機械の船体であり、動力源と一次燃料タンクを収容します。 Enomopter の他のすべてのコンポーネントは胴体に取り付けられています。
- 翼– 前部と後部の 2 つの翼があり、X 構成で胴体に枢動可能に結合されています。この翼は薄い膜でできています。硬いが柔軟な静脈が胴体の接合部で翼に取り付けられており、上昇行程と下降行程の両方で揚力を生成するために必要な曲線を翼に与えます。
- 往復ケミカルマッスル(RCM) – コンパクトな非燃焼エンジンが翼に取り付けられ、羽ばたき運動を生み出します。
- センサー– 前方、下方、横方向を監視するセンサーがあります。
- カメラ– プロトタイプにはミニカメラがありませんが、最終バージョンにはカメラまたは嗅覚センサーが搭載される可能性があります。このセンサーは臭気を検出し、昆虫捕獲器は臭気をその発生場所まで追跡します。
- 表面操縦機構– これは、Enomopter が地上ミッションで使用される場合のナビゲーションに役立ちます。
- 脚/足–水上運動器とも呼ばれるこれらの部品は、横揺れ防止慣性と補助燃料貯蔵を提供します。
昆虫捕獲器は化学反応によって作動します。単元推進剤が体内に注入され、ガスを放出する化学反応が引き起こされます。蓄積されたガス圧力が機体内のピストンを押します。このピストンは枢動可能に結合された翼に接続されており、翼を急速に羽ばたかせます。ガスの一部は翼の通気孔から排出され、どちらかの翼の揚力を変更して車両が旋回できるようにするために使用されます。現在、昆虫捕獲器の翼幅は 10 インチ (25 cm) です。 「次のステップは、RCM デバイスをバグ サイズまで縮小することです」とマイケルソン氏は述べています。
イエバエほどの大きさの乗り物では、すべての部品が複数のタスクを実行する必要があります。たとえば、車両の後部に取り付けられた無線アンテナは、ナビゲーション用のスタビライザーとしても機能する場合があります。脚には、飛行中の車両の重量とバランスを調整するために燃料を蓄えることができました。
マイクロメカニカル飛行昆虫
米国政府はまた、イエバエほどの大きさのロボット昆虫を開発するバークレーのプロジェクトに250万ドルを投資した。この微小機械飛行昆虫(MFI) を空に飛ばすための最初の大きなステップは、ロボフライの開発であり、これにより研究者は昆虫の飛行のメカニズムについて重要な洞察を得ることができました。
MFI を構築するために、研究者たちはハエがどのように飛ぶかを調べる実験を行いました。実験の 1 つは、プレキシガラス製でショウジョウバエの羽をモデルにした、ロボフライと呼ばれる 10 インチ (25 cm) のロボットの羽のペアを構築することでした。羽は鉱物油のタンクに浸されており、これにより羽は、空中で素早く羽ばたく長さ 1 ミリメートルの小さなショウジョウバエの羽のように反応します。 6 つのモーター(各翼に 3 つずつ) が翼を前後、上下、回転運動で動かしました。翼の力を測定するセンサーが取り付けられました。
最終的に、ロボフライは幅 10 ～ 25 ミリメートル (0.4 ～ 1 インチ)、重さ約 43 ミリグラム (0.002 オンス) のステンレス鋼まで縮小される予定です。翼は薄いマイラーフィルムでできています。太陽光発電により圧電アクチュエーターが作動し、翼を羽ばたかせます。ロボットの胸部は、圧電アクチュエータのたわみを、飛行を達成するために必要な大きな翼のストロークと回転に変換します。
このロボットはまだ飛行していませんが、揚力に必要な力の約 90% が完全に動作する 2 翼構造で実験的に達成されたと報告されています。次のステップは、遠隔制御用の飛行制御ユニットと通信ユニットを追加することです。研究者らは、光学センシングと搭載されたジャイロスコープによって制御されたホバリングを可能にすることに取り組んでいると述べた。
壁の上を飛ぶ
米軍がMAV（超小型飛行機）プロジェクトにつぎ込んでいる金額を考慮すると、これらのロボット型昆虫の最初の用途はスパイ用のハエになる可能性が高い。 DARPAは、偵察任務に使用でき、地上の兵士が制御できるスパイフライを構想している。この小型飛行体は部隊の動きの画像を中継するだけでなく、生物兵器、化学兵器、核兵器の探知にも使用できる可能性がある。さらに、ロボット昆虫は敵の車両に着陸し、その車両に電子タグを配置できるため、より簡単に標的にされる可能性があります。
MAVの開発に関するDARPAからの文書の中で、著者らは、微小電気機械システム（MEMS）を含むマイクロテクノロジーの進歩により、間もなくスパイバエが実現可能なアイデアになるだろうと書いている。同氏は、 CCDアレイカメラ、小型赤外線センサー、チップサイズの危険物質検出器などのマイクロシステムが、スパイバエのアーキテクチャに統合できるほど十分に小型化されていると指摘した。
軍は、射程距離が約 6.2 マイル (10 km) で、昼夜を問わず飛行し、約 1 時間滞空できる MAV を望んでいます。 DARPA関係者は、MAVの理想的な速度は時速22〜45マイル（時速35.4〜72.4キロ）であると述べています。これは地上局から制御され、指向性アンテナを使用して MAV との継続的な通信を維持します。
ロボットハエは、新世代の惑星間探査機としても適している可能性がある。 (GTRI) は、昆虫飛行装置を飛行火星測量士として使用するアイデアを研究するために (NIAC) から資金提供を受けています。 2001 年 3 月、NASA は将来の火星マイクロミッションを見越して、研究の第 2 段階に資金を提供しました。
昆虫捕獲器には、大型の測量器に比べていくつかの利点があります。彼らは着陸、離陸、ホバリング、そして飛行中により困難な操縦を実行できるようになるでしょう。彼らの這ったり飛んだりする能力は、他の惑星を探索する際にも有利になります。おそらく、NASA は他の惑星を探索するためにこれらの監視車両を数十台派遣するでしょう。昆虫捕獲器の開発者ロブ・マイケルソン氏は、昆虫捕獲器の火星版は、火星の薄い大気中を飛行するためには翼幅約1メートルに大型化する必要があると述べた。
研究者らは、これらの小さな飛行ロボットは、地震、竜巻、地滑りなどの自然災害の余波でも役立つだろうと述べている。小さいサイズと飛行およびホバリング能力により、瓦礫に埋もれた人々の捜索に役立ちます。彼らは、人間や大型の機械が移動できない隙間を飛び回る可能性があります。その他の用途には、交通監視、国境監視、野生生物調査、送電線検査、不動産の航空写真などがあります。
ハエは、テクノロジーが人間の危険な作業を支援し、人間が危害を加えないようにするもう 1 つの例です。軍事偵察、地震犠牲者の捜索、異世界への旅行はすべて危険な活動である。飛行マイクロロボットを使えば、実際にその場にいなくてもこれらの任務を遂行できるようになるだろう。
