諸葛亮宰相の目には涙が溢れていた。このようなロボットを1000台ください!

国内SF大作『流転の地球2』に登場するロボット犬ベンベンとドア枠ロボットは、非常に人気のあるキャラクターです。

映画では、ベンベンは月面ロボットと呼ばれています。車輪でも足でも使える多機能モバイルデバイスです。月面の複雑な地形でも自由に移動できます。本物の犬に匹敵する感情表現や知的な判断能力を持っているようです。人間のパートナーに対しては可愛らしく、色っぽく振る舞うことができ、誰にとっても良い友達です。

ドア枠ロボットは、シンプルで丈夫なドア枠風の二足歩行型の形状をしています。さまざまな機能モジュールを搭載することで、セキュリティ検査、消火、衝撃保護、さらには懸垂下降ダイビングなどの機能を実現できます。それは人々が信頼できる強固な裏付けです。

これら 2 つのロボットの設定は非常に革新的ですが、同時に、純粋に空想的なものではありません。

これは私たちにとって楽しみです。数年後には、ロボット犬のベンベンやドア枠ロボットが本当に実現するかもしれません。

人形からロボット犬まで、SFの夢は徐々に実現している

この考えには根拠がないわけではない。なぜなら、人類の歴史において、人間、動物、昆虫のイメージに基づいてバイオニックロボットを作成するという構想や試みが、非常に早い時期から存在していたからです。

古代道教の書物『列子』に「圓師創人」という物語がある。物語では、ヤンシという大工が、本物の人間と全く同じ体の構造を持つ人形を作った。これは中国で最も古いSF小説と言えるでしょう。

『墨経』によれば、魯班は木製の鳥を発明した。それは3日間空を飛べるバイオニック鳥だった。

三国時代の諸葛亮は「木牛流馬」と呼ばれる輸送手段を発明したと言われており、山道で物資を楽に運ぶことができ、物資輸送の効率を大幅に向上させました。残念ながら、この技術は長い間失われてきました。

ヨーロッパ、アメリカ、インドなどの神話にもロボットに関する伝説や文学作品が数多く存在します。

燕師は人間を創造した（出典：捜狐）

科学技術の発展により、こうした空想が現実になることが可能になりました。

1495年、レオナルド・ダ・ヴィンチはチェーンとギアで制御できる装甲ロボットを設計しました。

レオナルド・ダ・ヴィンチが設計したロボットの現代レプリカ (出典: Wikipedia)

18世紀、フランスの発明家ヴォーカンソンは、「フルート奏者」「管楽器奏者」「管楽器奏者」など、多くのバイオニックロボットを発明しました。その中でバイオニックダックは大きな成功を収め、ヴォルテールやホーソーンといった作家の作品にも登場しました。

消化力のあるアヒル（出典：blogspot.com）

1867年、アメリカ人のデドリックは、蒸気で駆動し、平らな地面をゆっくりと移動できるカートを引くロボットを発明しました。

Steamロボット（出典：Sohu）

1870年にロシアのチェビシェフによって発明された四足歩行機構は、記録に残る最古の脚と足を持つバイオニックロボットであると考えられています。

チェビシェフが発明した脚歩行ロボット（出典：アルトボレフスキー、1964年）

1893年、アメリカ人のリュッグは機械馬の特許を申請した。御者はペダル、チェーン、クランクを使って馬の脚を動かしました。

Ryggが発明したロボット馬の特許の概略図（出典：参考文献[1]）

ここ数十年、科学技術がさらに発展するにつれ、エンジニアは、魚を模倣したロボット魚「RoboTuna」 、カエルを模倣したカエル型のバイオニックジャンプロボット、昆虫を模倣したロボットハエ「RoboFly」など、バイオニックロボットの設計と製造において大きな進歩を遂げてきました。最も人気があるのは、ボストン・ダイナミクス社が発売したロボット犬「 SpotMini」です。

ロボット犬ベンベンに似たネットセレブ商品です。 4 本の脚と追加の多機能ロボット アームを備えています。優れた移動能力とバランス能力を備えており、貨物輸送、警備巡回、災害救助などの複雑なタスクを完了できます。

ロボット魚「RoboTuna」（左）、カエル型バイオニックジャンプロボット（中央）、ロボットハエ「RoboFly」（右）（画像出典：参考文献[2]）

SpotMini ロボット犬 (出典: futura-sciences.com)

わが国の山東大学、ハルビン工業大学、国防科学技術大学、玉樹科学技術などの研究機関の学者も、さまざまなタイプのロボット犬製品を開発しており、まるで「華山剣競技」のようだ。

山東大学（左）、ハルビン工業大学（中央）、国立国防科学技術大学（右）が開発したロボット犬（出典：捜狐）

バイオニックロボットの行動コード

諺にあるように、素人は興奮に注目し、専門家は細部に注目します。

これらの驚くべきバイオニックロボットはどのようにしてこれほど鮮明に動くのでしょうか?見た目は奇妙ですが、実は制御系、伝達系、知覚系という3つの機能系から構成されています。

このうち、制御システムはバイオニックロボットの頭脳であり、伝送システムに実行コマンドを送信できます。この指示は、オペレータが決定して送信することも、制御システムによって自律的に送信することもできます。

伝送モジュールは、モーターや減速機などの機械的な伝送コンポーネントを介して受信したコマンドを実行します。

知覚システムは、さまざまなセンサーを通じて現在の動作状態を取得し、取得した情報を制御システムにフィードバックして、制御システムが次の決定を下せるようにします。

これら 3 つのシステムを協調動作させることで、単純な閉ループ制御システムを形成できます。

実際、よく考えてみると、この閉ループ制御も生物学的活動の一部であり、私たちの日常の行動はすべて、脳、手足、感覚の調整によって完了しているのです。

ロボットの閉ループ制御システム（出典：自作）

バイオニックロボットの開発は思ったほど簡単ではありません。

制御-機構-知覚の閉ループ制御システムに基づいて、エンジニアはさまざまな構造設計コンセプトとエンジニアリング実装技術を採用し、さまざまな種類のバイオニックロボットを開発してきました。しかし、彼らは同じ困難に直面しており、それは簡単に次の 3 つの側面にまとめることができます。

まず第一に、自律的な意思決定のための十分にスマートなアルゴリズムを開発することが大きな課題です。たとえば、前方の物体が障害物なのか操作対象物なのかを識別して判断するには、画像やレーダーに基づくインテリジェントな認識アルゴリズムを使用する必要があります。障害物に遭遇したときに最適な迂回ルートを策定するには、経路計画アルゴリズムを使用する必要があります。魚の遊泳姿勢、犬の歩行姿勢、鳥の飛行姿勢など、さまざまな生物の運動パターンをシミュレートするには、各可動部分の歩行を正確に制御する制御アルゴリズムが必要です。緊急事態に遭遇したときに、どのように自律的に判断し、最善の選択を行うかには、より複雑な人工知能の意思決定アルゴリズムが必要です。

『流転の地球2』に登場する550Wの量子コンピュータは、自己反復・進化する能力を持つ人工知能であり、その機能は非常に強力です。現在人気のChatGPTもビッグデータ学習をベースにした人工知能ツールであり、世界中の人工知能開発の波をリードしてきました。

550W 量子コンピュータ (出典は透かしを参照)

第二に、高性能な伝送システムを開発することで、「やりたいけどできない」というジレンマに陥ることを回避できます。バイオニックロボットが使用する伝動システムは、主にモーターと減速機の 2 つの部分で構成されています。電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために使用されます。おもちゃのレーシングカーの「モーター」は電気モーターの一種です。しかし、モーターの出力速度は非常に速く、バイオニックロボットの移動速度と一致しないため、モーターの出力速度を減速するための減速機が必要になります。バイオニックロボットが正確な把持（高い伝達精度）、重い物の持ち上げ（強力な運搬能力）、騒音を出さない（低騒音）ことを実現するために、エンジニアはさまざまなタイプのバイオニックロボットで使用するための、優れた性能と高い信頼性を備えたさまざまな種類のモーターと減速機を絶えず開発しています。

ハーモニック減速機（左）とサイクロイド風車減速機（右）（画像出典：参考文献[3]）

センサーシステムはバイオニックロボットの感覚器官です。光学センサー、超音波センサー、LIDAR、赤外線センサーなどは、一般的に外部の物体を正確に検出し、障害物回避経路を計画するために使用されます。慣性測定センサーは、現在の空間における自身の位置と姿勢を感知するために使用できます。力センサーは、外部物体からの力の大きさを感知するために使用されます。科学者たちはまた、圧力に敏感な柔軟な導電性材料を使用したバイオニック皮膚を発明し、バイオニックロボットを実際の人間や動物に近づけました。

つまり、現代のバイオニックロボットは、大量のブラックテクノロジーのサポートにより急速な進歩を遂げており、初期のバイオニックロボットのプロトタイプをはるかに超えています。

もし諸葛孔明首相がこれを見たら、おそらく泣き崩れるだろう。「こんなロボットが1000台与えられたら、どうして天下統一できないだろう？」

参考文献:

[1] De Santos PG、Garcia E、Estremera J.四足歩行：四足ロボットの制御入門[M]。 Springer Science & Business Media、2007年。

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[4] 王海霞、呉清峰、呉祥斌ほか。ロボットの位置認識におけるマルチセンサー融合の応用に関する研究[J]。機械電気工学技術、2020年、49(12):89-91。 DOI: 10.3969/j.issn.1009-9492.2020.12.026。

[5] 何恵娟、王磊、徐徳章。ロボットにおける柔軟な触覚センサーの応用に関するレビュー[J]。センサーとマイクロシステム、2015年、34(11):5-7、15。DOI:10.13873/J.1000-9787(2015)11-0005-03。

著者: Liuhuo

兵器産業の研究所のエンジニア