TED日本語 - サラ・バーグブライター: 米粒のサイズのロボットを作る理由

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TED日本語 - サラ・バーグブライター: 米粒のサイズのロボットを作る理由

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米粒のサイズのロボットを作る理由
Why I make robots the size of a grain of rice
サラ・バーグブライター
Sarah Bergbreiter

内容

アリのような昆虫の動きや身体を研究することで、サラ・バーグブライターと彼女の率いるチームは、大変に堅固で、この上なく小さい機械の虫を作り上げ…それにロケットを付けました。マイクロロボティクスにおける驚くべき発展を目にし、このとても小さなお助けロボットが、将来利用されるかもしれない3つの方法について、耳を傾けてみましょう。

Script

My students and I work on very tiny robots. Now, you can think of these as robotic versions of something that you're all very familiar with: an ant. We all know that ants and other insects at this size scale can do some pretty incredible things. We've all seen a group of ants, or some version of that, carting off your potato chip at a picnic, for example.

But what are the real challenges of engineering these ants? Well, first of all, how do we get the capabilities of an ant in a robot at the same size scale? Well, first we need to figure out how to make them move when they're so small. We need mechanisms like legs and efficient motors in order to support that locomotion, and we need the sensors, power and control in order to pull everything together in a semi-intelligent ant robot. And finally, to make these things really functional, we want a lot of them working together in order to do bigger things.

So I'll start with mobility. Insects move around amazingly well. This video is from UC Berkeley. It shows a cockroach moving over incredibly rough terrain without tipping over, and it's able to do this because its legs are a combination of rigid materials, which is what we traditionally use to make robots, and soft materials. Jumping is another really interesting way to get around when you're very small. So these insects store energy in a spring and release that really quickly to get the high power they need to jump out of water, for example.

So one of the big contributions from my lab has been to combine rigid and soft materials in very, very small mechanisms. So this jumping mechanism is about four millimeters on a side, so really tiny. The hard material here is silicon, and the soft material is silicone rubber. And the basic idea is that we're going to compress this, store energy in the springs, and then release it to jump. So there's no motors on board this right now, no power. This is actuated with a method that we call in my lab "graduate student with tweezers." (Laughter) So what you'll see in the next video is this guy doing amazingly well for its jumps. So this is Aaron, the graduate student in question, with the tweezers, and what you see is this four-millimeter-sized mechanism jumping almost 40 centimeters high. That's almost 100 times its own length. And it survives, bounces on the table, it's incredibly robust, and of course survives quite well until we lose it because it's very tiny.

Ultimately, though, we want to add motors to this too, and we have students in the lab working on millimeter-sized motors to eventually integrate onto small, autonomous robots. But in order to look at mobility and locomotion at this size scale to start, we're cheating and using magnets. So this shows what would eventually be part of a micro-robot leg, and you can see the silicone rubber joints and there's an embedded magnet that's being moved around by an external magnetic field.

So this leads to the robot that I showed you earlier. The really interesting thing that this robot can help us figure out is how insects move at this scale. We have a really good model for how everything from a cockroach up to an elephant moves. We all move in this kind of bouncy way when we run. But when I'm really small, the forces between my feet and the ground are going to affect my locomotion a lot more than my mass, which is what causes that bouncy motion. So this guy doesn't work quite yet, but we do have slightly larger versions that do run around. So this is about a centimeter cubed, a centimeter on a side, so very tiny, and we've gotten this to run about 10 body lengths per second, so 10 centimeters per second. It's pretty quick for a little, small guy, and that's really only limited by our test setup. But this gives you some idea of how it works right now. We can also make 3D-printed versions of this that can climb over obstacles, a lot like the cockroach that you saw earlier.

But ultimately we want to add everything onboard the robot. We want sensing, power, control, actuation all together, and not everything needs to be bio-inspired. So this robot's about the size of a Tic Tac. And in this case, instead of magnets or muscles to move this around, we use rockets. So this is a micro-fabricated energetic material, and we can create tiny pixels of this, and we can put one of these pixels on the belly of this robot, and this robot, then, is going to jump when it senses an increase in light.

So the next video is one of my favorites. So you have this 300-milligram robot jumping about eight centimeters in the air. It's only four by four by seven millimeters in size. And you'll see a big flash at the beginning when the energetic is set off, and the robot tumbling through the air. So there was that big flash, and you can see the robot jumping up through the air. So there's no tethers on this, no wires connecting to this. Everything is onboard, and it jumped in response to the student just flicking on a desk lamp next to it.

So I think you can imagine all the cool things that we could do with robots that can run and crawl and jump and roll at this size scale. Imagine the rubble that you get after a natural disaster like an earthquake. Imagine these small robots running through that rubble to look for survivors. Or imagine a lot of small robots running around a bridge in order to inspect it and make sure it's safe so you don't get collapses like this, which happened outside of Minneapolis in 2007. Or just imagine what you could do if you had robots that could swim through your blood. Right? "Fantastic Voyage," Isaac Asimov. Or they could operate without having to cut you open in the first place. Or we could radically change the way we build things if we have our tiny robots work the same way that termites do, and they build these incredible eight-meter-high mounds, effectively well ventilated apartment buildings for other termites in Africa and Australia.

So I think I've given you some of the possibilities of what we can do with these small robots. And we've made some advances so far, but there's still a long way to go, and hopefully some of you can contribute to that destination.

Thanks very much.

(Applause)

私は私の学生と一緒に 極小ロボットに取り組んでいます 皆さんもよくご存知の生き物の ロボット版だと考えて下さい アリです アリをはじめ このサイズの昆虫が かなりすごい能力を持っているのは ご承知のとおりです ピクニックのときに アリなどの昆虫の群れが ポテトチップスを引っ張っているのを 見たことがあるでしょう

このようなアリを作る 真の困難とは何でしょう? まずはじめに アリの能力をどうやって 同じサイズのロボットに 搭載すればいいのでしょう? これほど小さいものを どうやって動かすかを まず考えなければなりません 脚や効率のよいモーターなどで 運動を支える必要がありますし センサーや動力源や制御装置で 半自動制御のアリのロボットを 動くようにしなければなりません 最後に これらを 機能的にするためには たくさん集まって より大きな作業を できるようにしなければなりません

可動性から始めましょう 昆虫は非常にうまく動き回ります このビデオはカリフォルニア大学のものです ゴキブリが とても凹凸の多い表面を 転ばずに歩いています これはゴキブリの脚が 従来ロボットに使われていたような固い物質と やわらかい物質の 組み合わせでできているからです ジャンプも小さい生き物の動き方として 面白いものです ばねに貯めたエネルギーを 素早く解放することで たとえば 水から飛び出るような 大きな力を得ています

私の研究室が成し遂げた 大きな貢献のひとつは 固い物質とやわらかい物質を とても小さいメカニズムに 混在させるということです ジャンプのメカニズムは 幅4ミリほどで とても小さいです 固い物質はシリコンで やわらかい物質はシリコンラバーです 基本的な考えとしては これを収縮させて ばねにエネルギーを貯め 解放してジャンプするというものです ですから モーターも動力源も 搭載されていません これを動かすのに必要な方法論は 私の研究室で 「大学院生とピンセット」と 呼んでいるものです (笑) 次のビデオでは これが非常によく 跳躍する様子が見られます こちらは件のピンセットを持った 大学院生のアーロンですが ここでは大きさ4mmのメカニズムが 高さ40cmもジャンプしているのが わかります これは大きさの100倍にも及ぶ高さです 壊れることなく テーブルにバウンドしています これは非常に堅固です もちろんとても小さいので 失くさないよう 気を付けなければいけません

ですが最終的にこれにも モーターを搭載したいので 研究室の学生たちは 小さい自動制御ロボットに搭載する 1mm単位のモーターに取り組んでいます しかし可動性を考慮して このサイズのものを始動させるために ちょっとずるいですが 磁石を使っています これはマイクロロボットの脚になるものです 接続部がシリコンラバーで 外の磁場によって動かされている 埋め込まれた磁石が 見えると思います

これが先ほどお見せした ロボットにつながります このロボットによって 解明される興味深いことは この大きさの昆虫の動き方です ゴキブリからゾウに至るまで あらゆるものの動き方の とてもいいモデルになるのです 皆走るときには 少し飛び跳ねるように動きますが とても小さい場合は 脚と地面の間に働く力の方が 体の体積よりも運動に影響します そのために飛び跳ねるように動くのです これはまだうまく動きませんが もう少し大きいもので 走り回れるものを作りました これは1立法cmの大きさで 幅1cmで とても小さいです 1秒に全長10個分 走り回るようにしたので 秒速10cmです この大きさにしては かなり速いですが 試験環境に限りがあったため この速さが限界です でも動き方については わかったと思います 障害物を越えることのできる 3Dプリンターで作ったものもあります 先ほどのゴキブリに よく似ていますね

最終的にはすべてを 搭載したいと思っています センサーや動力源 制御装置や 作動装置もすべて搭載したいのですが すべてが生き物に由来している 必要はありません このロボットは タブレット菓子くらいの大きさです この場合 動き回るための 磁石や筋肉の代わりに ロケットを使います これはマイクロ加工された エネルギー物質で 数ピクセル分作って このロボットのおなかに つけることができます そうすると 光が強くなるのを 感じてジャンプするのです

次のビデオは私のお気に入りです 300mgのロボットが 8cmほどジャンプしているのが わかります 大きさはたったの 4mm x 4mm x 7mmです 最初にエネルギーが放出されたときに 大きな光が出て ロボットが空中を浮遊しているのが わかりますね 大きな光が出て ロボットが空中をジャンプしています このロボットにはロープも ワイヤーもついていません すべてが搭載され 学生がそばにあるデスクランプを つけたことに反応して ジャンプしたのです

ですから 走ったり這い回ったり ジャンプしたり転げまわる このサイズのロボットですごいことが できることが想像できるでしょう 地震のような自然災害のあとで 出る瓦礫を考えてみてください こうした小さなロボットが 瓦礫の周りを走り回って 生存者を探せたらどうでしょう あるいは 小さなロボットが たくさん橋の周りを走り回って 安全性を確認するのはどうでしょう ミネアポリス近郊で 2007年に起こったようなことは 起こらないでしょう あなたの血管を泳ぎまわれるような ロボットがあったらどうか 想像してみてください アイザック・アシモフの 『ミクロの決死圏』みたいでしょ? 開腹しないでロボットが 手術できたらどうでしょうか? シロアリのように動き回る 小さなロボットがあれば 建設方法を大きく 変化させられるかもしれません シロアリはアフリカやオーストラリアで 他のシロアリと一緒に住むための とても換気のいい 高さ8mもの 山を作るのです

小さなロボットでできることの 可能性をいくつか お見せしました いくらか進歩したとはいえ まだまだ道は長いですが あなた方の中に この道に 貢献できる人がいることを願います

ありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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