TED日本語 - ジョナサン・ロシター: 汚染物資を「食べる」ロボット



TED日本語 - ジョナサン・ロシター: 汚染物資を「食べる」ロボット

TED Talks

A robot that eats pollution
Jonathan Rossiter




Hi, I'm an engineer and I make robots. Now, of course you all know what a robot is, right? If you don't, you'd probably go to Google, and you'd ask Google what a robot is. So let's do that. We'll go to Google and this is what we get. Now, you can see here there are lots of different types of robots, but they're predominantly humanoid in structure. And they look pretty conventional because they've got plastic, they've got metal, they've got motors and gears and so on. Some of them look quite friendly, and you could go up and you could hug them. Some of them not so friendly, they look like they're straight out of "Terminator," in fact they may well be straight out of "Terminator." You can do lots of really cool things with these robots -- you can do really exciting stuff.

But I'd like to look at different kinds of robots -- I want to make different kinds of robots. And I take inspiration from the things that don't look like us, but look like these. So these are natural biological organisms and they do some really cool things that we can't, and current robots can't either. They do all sorts of great things like moving around on the floor; they go into our gardens and they eat our crops; they climb trees; they go in water, they come out of water; they trap insects and digest them. So they do really interesting things. They live, they breathe, they die, they eat things from the environment. Our current robots don't really do that. Now, wouldn't it be great if you could use some of those characteristics in future robots so that you could solve some really interesting problems? I'm going to look at a couple of problems now in the environment where we can use the skills and the technologies derived from these animals and from the plants, and we can use them to solve those problems.

Let's have a look at two environmental problems. They're both of our making -- this is man interacting with the environment and doing some rather unpleasant things. The first one is to do with the pressure of population. Such is the pressure of population around the world that agriculture and farming is required to produce more and more crops. Now, to do that, farmers put more and more chemicals onto the land. They put on fertilizers, nitrates, pesticides -- all sorts of things that encourage the growth of the crops, but there are some negative impacts. One of the negative impacts is if you put lots of fertilizer on the land, not all of it goes into the crops. Lots of it stays in the soil, and then when it rains, these chemicals go into the water table. And in the water table, then they go into streams, into lakes, into rivers and into the sea. Now, if you put all of these chemicals, these nitrates, into those kinds of environments, there are organisms in those environments that will be affected by that -- algae, for example. Algae loves nitrates, it loves fertilizer, so it will take in all these chemicals, and if the conditions are right, it will mass produce. It will produce masses and masses of new algae. That's called a bloom. The trouble is that when algae reproduces like this, it starves the water of oxygen. As soon as you do that, the other organisms in the water can't survive. So, what do we do? We try to produce a robot that will eat the algae, consume it and make it safe.

So that's the first problem. The second problem is also of our making, and it's to do with oil pollution. Now, oil comes out of the engines that we use, the boats that we use. Sometimes tankers flush their oil tanks into the sea, so oil is released into the sea that way. Wouldn't it be nice if we could treat that in some way using robots that could eat the pollution the oil fields have produced? So that's what we do. We make robots that will eat pollution.

To actually make the robot, we take inspiration from two organisms. On the right there you see the basking shark. The basking shark is a massive shark. It's noncarnivorous, so you can swim with it, as you can see. And the basking shark opens its mouth, and it swims through the water, collecting plankton. As it does that, it digests the food, and then it uses that energy in its body to keep moving. So, could we make a robot like that -- like the basking shark that chugs through the water and eats up pollution? Well, let's see if we can do that. But also, we take the inspiration from other organisms. I've got a picture here of a water boatman, and the water boatman is really cute. When it's swimming in the water, it uses its paddle-like legs to push itself forward.

So we take those two organisms and we combine them together to make a new kind of robot. In fact, because we're using the water boatman as inspiration, and our robot sits on top of the water, and it rows, we call it the "Row-bot." So a Row-bot is a robot that rows. OK. So what does it look like? Here's some pictures of the Row-bot, and you'll see, it doesn't look anything like the robots we saw right at the beginning. Google is wrong; robots don't look like that, they look like this.

So I've got the Row-bot here. I'll just hold it up for you. It gives you a sense of the scale, and it doesn't look anything like the others. OK, so it's made out of plastic, and we'll have a look now at the components that make up the Row-bot -- what makes it really special.

The Row-bot is made up of three parts, and those three parts are really like the parts of any organism. It's got a brain, it's got a body and it's got a stomach. It needs the stomach to create the energy. Any Row-bot will have those three components, and any organism will have those three components, so let's go through them one at a time. It has a body, and its body is made out of plastic, and it sits on top of the water. And it's got flippers on the side here -- paddles that help it move, just like the water boatman. It's got a plastic body, but it's got a soft rubber mouth here, and a mouth here -- it's got two mouths. Why does it have two mouths? One is to let the food go in and the other is to let the food go out. So you can see really it's got a mouth and a derriere, or a --


something where the stuff comes out, which is just like a real organism. So it's starting to look like that basking shark. So that's the body.

The second component might be the stomach. We need to get the energy into the robot and we need to treat the pollution, so the pollution goes in, and it will do something. It's got a cell in the middle here called a microbial fuel cell. I'll put this down, and I'll lift up the fuel cell. Here. So instead of having batteries, instead of having a conventional power system, it's got one of these. This is its stomach. And it really is a stomach because you can put energy in this side in the form of pollution, and it creates electricity.

So what is it? It's called a microbial fuel cell. It's a little bit like a chemical fuel cell, which you might have come across in school, or you might've seen in the news. Chemical fuel cells take hydrogen and oxygen, and they can combine them together and you get electricity. That's well-established technology; it was in the Apollo space missions. That's from 40,50 years ago. This is slightly newer. This is a microbial fuel cell. It's the same principle: it's got oxygen on one side, but instead of having hydrogen on the other, it's got some soup, and inside that soup there are living microbes. Now, if you take some organic material -- could be some waste products, some food, maybe a bit of your sandwich -- you put it in there, the microbes will eat that food, and they will turn it into electricity. Not only that, but if you select the right kind of microbes, you can use the microbial fuel cell to treat some of the pollution. If you choose the right microbes, the microbes will eat the algae. If you use other kinds of microbes, they will eat petroleum spirits and crude oil. So you can see how this stomach could be used to not only treat the pollution but also to generate electricity from the pollution. So the robot will move through the environment, taking food into its stomach, digest the food, create electricity, use that electricity to move through the environment and keep doing this.

OK, so let's see what happens when we run the Row-bot -- when it does some rowing. Here we've got a couple of videos, the first thing you'll see -- hopefully you can see here is the mouth open. The front mouth and the bottom mouth open, and it will stay opened enough, then the robot will start to row forward. It moves through the water so that food goes in as the waste products go out. Once it's moved enough, it stops and then it closes the mouth -- slowly closes the mouths -- and then it will sit there, and it will digest the food.

Of course these microbial fuel cells, they contain microbes. What you really want is lots of energy coming out of those microbes as quickly as possible. But we can't force the microbes and they generate a small amount of electricity per second. They generate milliwatts, or microwatts. Let's put that into context. Your mobile phone for example,one of these modern ones, if you use it, it takes about one watt. So that's a thousand or a million times as much energy that that uses compared to the microbial fuel cell. How can we cope with that? Well, when the Row-bot has done its digestion, when it's taken the food in, it will sit there and it will wait until it has consumed all that food. That could take some hours, it could take some days. A typical cycle for the Row-bot looks like this: you open your mouth, you move, you close your mouth and you sit there for a while waiting. Once you digest your food, then you can go about doing the same thing again. But you know what, that looks like a real organism, doesn't it? It looks like the kind of thing we do. Saturday night, we go out, open our mouths, fill our stomachs, sit in front of the telly and digest. When we've had enough, we do the same thing again.

OK, if we're lucky with this cycle, at the end of the cycle we'll have enough energy left over for us to be able to do something else. We could send a message, for example. We could send a message saying, "This is how much pollution I've eaten recently," or, "This is the kind of stuff that I've encountered," or, "This is where I am." That ability to send a message saying, "This is where I am," is really, really important. If you think about the oil slicks that we saw before, or those massive algal blooms, what you really want to do is put your Row-bot out there, and it eats up all of those pollutions, and then you have to go collect them. Why? Because these Row-bots at the moment, this Row-bot I've got here, it contains motors, it contains wires, it contains components which themselves are not biodegradable. Current Row-bots contain things like toxic batteries. You can't leave those in the environment, so you need to track them, and then when they've finished their job of work, you need to collect them. That limits the number of Row-bots you can use. If, on the other hand, you have robot a little bit like a biological organism, when it comes to the end of its life, it dies and it degrades to nothing.

So wouldn't it be nice if these robots, instead of being like this, made out of plastic, were made out of other materials, which when you throw them out there, they biodegrade to nothing? That changes the way in which we use robots. Instead of putting 10 or 100 out into the environment, having to track them, and then when they die, collect them, you could put a thousand, a million, a billion robots into the environment. Just spread them around. You know that at the end of their lives, they're going to degrade to nothing. You don't need to worry about them. So that changes the way in which you think about robots and the way you deploy them.

Then the question is: Can you do this? Well, yes, we have shown that you can do this. You can make robots which are biodegradable. What's really interesting is you can use household materials to make these biodegradable robots. I'll show you some; you might be surprised. You can make a robot out of jelly. Instead of having a motor, which we have at the moment, you can make things called artificial muscles. Artificial muscles are smart materials, you apply electricity to them, and they contract, or they bend or they twist. They look like real muscles. So instead of having a motor, you have these artificial muscles. And you can make artificial muscles out of jelly. If you take some jelly and some salts, and do a bit of jiggery-pokery, you can make an artificial muscle.

We've also shown you can make the microbial fuel cell's stomach out of paper. So you could make the whole robot out of biodegradable materials. You throw them out there, and they degrade to nothing.

Well, this is really, really exciting. It's going to totally change the way in which we think about robots, but also it allows you to be really creative in the way in which you think about what you can do with these robots. I'll give you an example. If you can use jelly to make a robot -- now, we eat jelly, right? So, why not make something like this? A robot gummy bear. Here, I've got some I prepared earlier. There we go. I've got a packet -- and I've got a lemon-flavored one. I'll take this gummy bear -- he's not robotic, OK? We have to pretend. And what you do with one of these is you put it in your mouth -- the lemon's quite nice. Try not to chew it too much, it's a robot, it may not like it. And then you swallow it. And then it goes into your stomach. And when it's inside your stomach, it moves, it thinks, it twists, it bends, it does something. It could go further down into your intestines, find out whether you've got some ulcer or cancer, maybe do an injection, something like that. You know that once it's done its job of work, it could be consumed by your stomach, or if you don't want that, it could go straight through you, into the toilet, and be degraded safely in the environment. So this changes the way, again, in which we think about robots.

So, we started off looking at robots that would eat pollution, and then we're looking at robots which we can eat. I hope this gives you some idea of the kinds of things we can do with future robots.

Thank you very much for your attention.


こんにちは 私はエンジニアで ロボットを製作しています もちろん皆さんはロボットが どんなものかお分かりですね 分からなければ検索してみると はっきりします ではやってみます 検索するとこんな感じです 色んな種類のロボットがあるのですが これらは主に構造上 人型ロボットになっています 如何にもロボットという感じです プラスチックや金属で出来ており モーターやギア等を 備えていますからね 中には結構 親しみの湧く物もあり 抱えて抱きしめたり 出来そうです そうでないものもあり 『ターミネーター』から そのまま出てきたようです 実際『ターミネーター』 そのものでしょう このロボットで ワクワクするような凄い事が 沢山出来るのです

しかし私は 違う種類のロボットに着目し そんな物を作ってみたいと 思っています そこで私は人ではなく ある物から ヒントを得ました それは自然の中に存在する生き物で 私達には出来ない 実に凄い事をするのです 現在あるロボットにも 出来ない事を ― 色々な事 ― 床を這い回ったり 菜園に入り作物を食べたり 木に登ったり 水に出入りしたり 虫を捕まえて消化したりするのです 実に興味深い事をします 彼らは生き、呼吸をし、死に 自然の中にある物を食します 現存するロボットは実際 そんな事をしません こんな特性をいくらか 未来のロボットに取り込めたら 大いに関心を集める課題を 解決する手助けになるかも しれませんよね? 現在の環境が抱える 2つの問題を見てみましょう その環境の下では これらの動植物から見出した テクノロジーや技術を使う事ができ 問題解決の為には ロボットが使えるのです

2つの環境問題を検討してみましょう 両方共 私達が作り出した物で 人が環境と関わる中で かなり不快な事態を 引き起こしたと言える物です 1つ目は人口の増加と関連しています 世界中の人口が急増する中で 農家や農場は より多くの作物の生産を 求められるようになりました その為に農家は 農地により多くの化学物質を 使うようになりました 化学肥料や硝酸塩 殺虫剤等です それらは全て 穀物の生育を促す物ですが 悪影響もあります その一例として 農地に化学肥料を与え過ぎると その全てが作物には行き届かず 多くが土に留まり 雨が降ると 肥料は地下水面に流れ込み そして地下水面から 流水となって湖や川に流れ込み 海へと流れて行くのです この化学肥料(硝酸塩)の全てが そうした環境に流れ込むと それに影響を受ける生物がいるのです 例えば藻類です 藻類は硝酸塩や 化学肥料が好物なので そうした物質を取り込み 条件が整えば 繁殖し 大量の新しい藻類が増えるでしょう これをブルームと言います 困った事に藻類が こうした形で繁殖すると 水中の酸素が不足するのです この事態に陥ると即座に 他の水中の生物は 生き残れなくなるのです では私達は何をすべきでしょう? 藻類を食べ、それを消費し 安全な物にするロボットを 試作しています

それが1つ目の問題です 2つ目の問題も やはり人が生み出した物で 石油による汚染と関わりがあります 石油は私達が使用する エンジンやボートから 流出します 時折 タンカーのオイルタンクから 海中にドッと漏れ出し 石油が海に流れ込みます 油田からの汚染を食べてしまう ロボットを使って この問題を 処理できれば良いですよね? これが私達の仕事です 汚染物質を食べる ロボットを作るのです

実際そのロボットを作る為に 2つの生物から ヒントを得ました 右側にウバザメが見えます ウバザメは 大きな体つきをしています 肉食ではないので 一緒に泳ぐ事が出来ます ご覧の通りです サメは口を大きく開けて 水中を泳ぎ プランクトンを集めています 動き回り続ける為にその体内で エネルギーを使っているのです そんなロボットが私達に作れないものか 海を泳ぎながら 汚染物質を食べ尽くす ウバザメのような ― 出来るかどうかやってみましょう 別の生物からもヒントを得ました ここにマツモムシの写真があります 本当に可愛らしい虫です 水中で泳ぐ時 ぺダルのような脚で 前に進みます

私達はこれら 2つの生物をヒントにして その両方を繋げ新種の ロボットを作ったのです 実際この虫からヒントを得て 作ったので このロボットは水面に浮かび 水面を漕ぎます "Row(漕ぐ)-bot(ロボット)"という名前です 漕ぐロボットなのです どんなものでしょう? ここに何枚か Row-botの写真があります お見せしましょう 最初に見たロボットとは 全く違っていますね グーグルは間違っています ロボットは むしろ こんな感じです

ここにRow-botを持って来ました お見せしますね 大きさが分かるでしょうし 他のロボットとは 違っていると分かるでしょう これはプラスチックで出来ています Row-botを構成しているパーツ ― これが何故特別なのか 見てみましょう

Row-botは 3つのパーツから出来ていて それら3つは本当に 生物の一部のようです 脳があり 体があり 胃があります エネルギーを生み出す為には 胃が必要なのです どのRow-botにも これら3つのパーツがありますが それはどんな生物も同様です では1つずつ見て行きましょう プラスチックで出来た 体があり それは 水面に浮かぶのです その側面に水かきがあります 動く手助けとなるオールです まるでマツモムシのようです 体はプラスチックですが ここには柔らかい ゴム製の口がこことここにあり その口は2つです 何故口が2つあるのでしょう? 1つは食べ物を取り入れ もう片方は 食べ物を排出するのです つまり口とお尻がある事が分かります お尻と言うか ―


物が出て行く場所で 正に本物の生物のようです ウバザメにも似てきました それは体です

2つ目のパーツは 胃かもしれません ロボットにエネルギーを供給し 汚染物質を処理する必要があるので 汚染物質が中に入り 何かを行います 真ん中の この部分には 微生物燃料電池という電池があります これを置いて 燃料電池をお見せします これはバッテリーを装備する代わりとなり 従来の電力装置の代わりとなるものです 1つお見せしましょう これはロボットの胃です 本当に胃の働きをします こちらの側から汚染物質という形で エネルギーを入れる事が出来るからで それが電気を生み出すのです

これは何でしょう? 微生物燃料電池と呼ばれるものです 少しだけ 化学燃料電池に似ています それを学校で見かけたかもしれないし ニュースで見たかもしれません 化学燃料電池は 水素と酸素を取り込み 反応させて 電気を生み出します 技術は十分に確立されたもので アポロ宇宙計画で使われました 40~50年前の事です それより少しだけ新しいのが 微生物燃料電池です 原理は同じです 片側に酸素を入れますが もう片側には 水素を入れる代わりに スープを少量入れます そのスープの中には 生きた微生物が入っています 少し有機物質を入れると ― それは廃棄物や サンドイッチの残りといった 残飯かもしれませんが ― そこに入れると 微生物がそれを食べ それが電気に変わるのです そればかりか 適切な微生物を選べば 汚染物質を処理する為に 微生物燃料電池が使えるのです 適切な微生物を選べば 微生物は藻類を食べます 別の種類の微生物を選べば 石油溶剤や原油を食べるでしょう この胃がどうやって 汚染物質を処理する為に 使われているか だけでなく どうやって汚染から電気を 生み出すのに使われているかが 分かるでしょう ロボットは 食べ物を胃の中に入れ 消化して電気を作り 自然環境の中で動き回る為に 電気を使う行為を 繰り返すのです

Row-botを作動させると 何が起こるか見てみましょう 水を漕ぐとどうなるか ― ビデオを2つお見せします 最初にお見せするのは 開いた口です 前方と後方の口が開き 十分に開ききると ロボットは 前方に漕ぎ始めます 食べ物を取り込み 処理物を排出する為に 水中をかき分けています ひとしきり動き終えると 止まり 口を閉じます ― ゆっくりと口を閉じるのです そしてそこに留まり 食べ物を消化します

もちろんこれは 微生物燃料電池で 微生物を含んでいます 本当は出来るだけ早く 沢山のエネルギーを 微生物から出したいのですが 微生物に無理は利かず 毎秒ミリワット又は マイクロワットといった ごく少量の電気しか 作り出せません これを分かりやすく説明すると 例えばあなたのスマホは 特に新型のものでは 約1ワットが必要です それは微生物燃料電池と比較すると 千倍、百万倍の エネルギーとなります それをどう使えるのでしょうか? Row-botが消化を完了し 食べ物を取り入れると すべての食物を消化するまで じっと待ちます それには数時間 時には数日かかります 典型的なRow-botのサイクルは 次のようなものです 口を開け 動き 口を閉じ その場にじっとして待つのです 一旦食べ物を消化すると 再び同じ事をして 動き回るのです しかし本当の 生物のようだと思いませんか? まるで私達が行なっている事のようです 土曜日の夜に外出して口を開け 腹を満たし テレビの前に座って消化をします 十分消化したら 同じ事を繰り返します

このサイクルを繰り返すと 最後には他の事が出来る程の 余分なエネルギーが得られます 例えばメッセージを送ります こんなメッセージです 「最近これだけ汚染物質を食べたよ」とか 「こんな食べ物に出くわしたよ」とか 「僕はここにいるよ」 「僕はここにいるよ」 とメッセージを送る能力は 非常に重要なものです 以前目にした油膜の事や 藻類の過剰繁殖を考えると 求められるのは 自然の中でRow-botを浮かべて 全ての汚染物質を食べ尽くし その後 回収する事です 何故でしょう? 今のロボット ― 私がここに持って来たRow-botは モーターやワイヤーがあり それ自体が生物分解性でない パーツで出来ています 現在のRow-botは 有害な電池のような物が付いています それを自然の中に 放置する事は出来ないので それを探知する必要があり 仕事を終えてしまったら 回収する必要があるのです 従って使用出来る Row-botの数は制限されます 一方で 少しばかり生物のようなロボットであるなら 命の終焉となり 朽ち果てます

だから こんなロボットが プラスチック製ではなく そこらに捨てておくと 生分解する別の素材で 出来ていたら良いですよね? そうなったら ロボットの使い方が変わります 10~100個のロボットを自然に放ち それらを追跡し ロボットが死んだ時 回収するのでなく 千、百万、十億個のロボットを 自然環境に放つ事が出来ます ばら撒くだけで良いのです 命の終わりには ロボットが 朽ち果てるのが分かっているので 心配には及びません これはロボットに関する概念と その使い方を変えます

問題は そんな事が可能かということです 可能だと私達は実証しました 生物分解性のロボットを作る事は可能です 実に興味深い事に このロボットを作るには ありふれた素材が使えるのです いくつかご紹介しましょう 驚きですよ ゼリーから ロボットが作れるのです 現在あるモーターを 付ける代わりに 人工筋肉と呼ばれる物が 使えるのです 人工筋肉はスマート素材で 電気をその素材に通すと 収縮したり 曲がったり 捻れたりします 本物の筋肉のようです モーターを取り付ける代わりに この人工筋肉を付けるのです 人工筋肉は ゼリーから作れるのです ゼリー少しと塩少々を用意し 少しばかり細工をすると 人工筋肉が出来上がるのです

先程 紙から微生物燃料電池の胃も 作れると言いました 生物分解性の素材から ロボットの全体が出来るのです 野外に放置すると その後 朽ち果てます

心の底からワクワクします これは私達のロボットに対する概念を 全く変えてしまいそうです それだけでなく これらのロボットを使って 出来る事への考え方が 実に クリエイティブな物にもなるのです 一例をご紹介しましょう ロボットを作るのに ゼリーが使えたら ― ゼリーを食べますよね? こんなものを作っては 如何でしょう? グミベアー・ロボットです ここにいくつか 予め用意しておきました さあここに グミの小袋があります レモン味です グミベアーを食べます この熊はロボットっぽくないですね? でもそういうふりをします 1つ口の中に放り込みます レモン味 美味いですね あまり噛まないように気をつけます ロボットですから 嫌でしょうし そして飲み込みます 胃の中に入ります そこでロボットは動き、思考し 曲ったりくねったりします 何かをするのです 更に腸の方まで移動して 潰瘍やがんが あるかどうかを見極め 注射のような事を するかも知れません 一旦その仕事を終えたら ロボットは胃で消化されたり それを望まなければ そのまま消化器官を通り トイレに流され 環境の中で安全に分解されます これは又 私達の ロボットへの概念を変えます

はじめに汚染物質を食べるロボットを ご紹介しました 次に私達が食べられる ロボットでした これが将来のロボットとの 関わりのヒントを 与えてくれると思います



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