生物模倣ロボット

地表面上での移動には、地上移動と樹上移動が含まれる。次のセクションでは、地上移動について特に詳しく説明する。

血液中や細胞培養培地中での運動、遊泳、飛行。ロボット工学者によって設計・製作された遊泳ロボットや飛行ロボットは数多く存在する。 ^{[ 2 ]}それらのいくつかは小型モーターや従来のMEMSアクチュエータ（圧電、熱、磁気など）を使用しているが、^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}他のいくつかは動物の筋肉細胞をモーターとして使用している。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

脚付きロボットは、用途に応じて、1本、^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} 2本、^{[ 13 ]} 4本、^{[ 14 ]} 6本、^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}または多数の脚を持つ場合があります^{[ 18 ]}。車輪の代わりに脚を使用する主な利点の 1 つは、不均一な環境をより効果的に移動できることです。二足歩行、四足歩行、六足歩行は、生物模倣ロボット工学の分野で最も人気のある脚付き移動タイプの 1 つです。Rhex 、Reliable Hexapedal robot ^{[ 15 ]}と Cheetah ^{[ 19 ]} は、これまでに最も速く走る 2 つのロボットです。iSprawlは、スタンフォード大学で開発された、ゴキブリの移動にヒントを得た別の六足歩行ロボットです。 ^{[ 16 ]}このロボットは、1 秒あたり体長の 15 倍まで走ることができ、最大 2.3  m/s の速度を達成できます。このロボットのオリジナルバージョンは空気圧駆動でしたが、新世代は単一の電気モーターを使用して移動します。^{[ 17 ]}

さまざまな長さスケールにわたる地形を含む地形は、ほとんどの生物や生体模倣ロボットにとって困難な場合があります。このような地形は、ヘビなどの四肢のない生物によって容易に通過されます。ミミズ、カタツムリ、毛虫、ヘビなど、いくつかの動物や昆虫は四肢なしで移動することができます。ヘビ型ロボットのレビューは、Hirose らによって提示されています^{[ 20 ]}これらのロボットは、受動または能動の車輪を備えたロボット、能動の履帯を備えたロボット、垂直波または線形拡張を使用する波状ロボットに分類できます。ほとんどのヘビ型ロボットは車輪を使用しており、車輪は左右に移動するときに摩擦が大きく、前進するときに摩擦が低く（そして後退しないようにすることができます）。ヘビ型ロボットの大部分は、横方向の波状移動または直線移動のいずれかを使用しており、垂直に登ることは困難です。Choset は最近、いくつかのヘビの歩行を模倣できるモジュール式ロボットを開発しましたが、アコーディオン運動は実行できません。^{[ 21 ]}ジョージア工科大学の研究者らは最近、Scalybot と呼ばれるヘビ型ロボットを 2 台開発した。これらのロボットは、ヘビの腹側の鱗が摩擦特性をさまざまな方向に調整する役割に焦点を当てている。これらのロボットは、鱗を能動的に制御して摩擦特性を変更し、さまざまな表面を効率的に移動することができる。^{[ 22 ] CMU の研究者らは、スケール[ 23 ]}と従来型のアクチュエータを備えたヘビ型ロボットの両方を開発した。 ^{[ 24 ]}

登攀は、登攀者がミスをするとグリップを失って落下する可能性があるため、特に難しい作業です。ほとんどのロボットは、生物の対応物に見られる単一の機能を中心に構築されています。ゲッコーボットは通常、滑らかな表面でのみ機能するファンデルワールス力を使用します。^{[ 25 ]}ヤモリからヒントを得て、スタンフォード大学の科学者はヤモリの接着特性を人工的に作り出しました。ヤモリの脚の剛毛と同様に、数百万本のマイクロファイバーが配置され、バネに取り付けられました。マイクロファイバーの先端は通常は鋭く尖っていますが、作動するとバネの動きによって応力が発生し、これらのマイクロファイバーが曲がり、ガラスや壁の表面との接触面積が増加します。同じ技術を使用して、NASAの科学者は宇宙でのさまざまな用途のためにゲッコーグリッパーを発明しました。スティッキーボットは、滑らかな表面で最もよく機能する方向性のある乾燥接着剤を使用します。^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} Spinybot ^{[ 31 ]}や RiSE ^{[ 32 ]}ロボットは、代わりに棘を使用する昆虫型ロボットの例です。脚式クライミングロボットにはいくつかの制限があります。柔軟性がないため大きな障害物を扱うことができず、移動には広いスペースが必要です。通常、滑らかな表面と粗い表面の両方を登ることができず、垂直から水平への移行も処理できません。

さまざまな生物が一般的に行うタスクの 1 つはジャンプです。バーラル、ウサギ、カンガルー、バッタ、ノミ、イナゴは、最もジャンプ力の高い動物です。イナゴにヒントを得た小型の 7g ジャンプ ロボットが EPFL で開発され、最大 138  cm までジャンプできます。^{[ 33 ]}ジャンプ イベントは、バネの張力を解放することによって誘発されます。最も高くジャンプする小型ロボットはイナゴにヒントを得たもので、重量は 23 グラム、最高ジャンプは 365  cm の「TAUB」（テルアビブ大学およびブラウデ工科大学）です。^{[ 34 ]}エネルギー貯蔵としてねじりバネを使用し、バネを圧縮および解放するためのワイヤーとラッチ機構が含まれています。ETH チューリッヒは、メタンと笑気ガスの燃焼に基づくソフト ジャンプ ロボットを報告しました。^{[ 35 ]}ソフト燃焼室内の熱ガス膨張により、室容積が大幅に増加します。これにより、2kg のロボットは最大20cmまでジャンプする。ダンゴムシのおもちゃ にヒントを得たこのソフトロボットは、着地後、自動的に直立姿勢に戻る。

魚類は泳ぐ際に90%を超える推進効率を達成できると計算されている。 ^{[ 36 ]}さらに、魚類はどんな人工のボートや潜水艦よりもはるかに優れた加速と操縦性を持ち、騒音や水の乱れも少ない。そのため、水中ロボットを研究する多くの研究者は、この種の移動方法を模倣したいと考えている。^{[ 37 ]}注目すべき例としては、エセックス大学コンピュータサイエンスのロボット魚G9 ^{[ 38 ]}や、フィールドロボティクス研究所がマグロの動きを分析し数学的にモデル化するために作ったロボットマグロ^{[ 39 ]}などがある。ドイツのFestoが設計・製造したアクアペンギン^{[ 40 ]}は、ペンギンの流線型の形状と前肢の「ひれ」による推進力を模倣している。Festoはまた、マンタとクラゲの移動をそれぞれ模倣したアクアレイとアクアジェリーも製造している。

2014年、iSplash -IIは、エセックス大学の博士課程学生リチャード・ジェームズ・クラパムとフオシェン・フー教授によって開発されました。これは、平均最大速度（体長/秒で測定）と持久力（最高速度が維持される時間）の点で、実際のカラシン型魚類を上回ることができる最初のロボット魚でした。 ^{[ 41 ]}この構築では、11.6BL/s（つまり3.7m  /s）の遊泳速度を達成しました。^{[ 42 ]}最初の構築であるiSplash -I（2014年）は、体長全体にわたるカラシン型遊泳動作を適用した最初のロボットプラットフォームであり、後方に閉じ込められた波形という従来のアプローチよりも遊泳速度が27%向上することがわかりました。^{[ 43 ]}

モジュール型ロボットは通常、複数のタスクを実行でき、特に捜索救助や探査ミッションに役立ちます。このカテゴリで注目されているロボットには、EPFLで開発された歩行と水泳が可能なサンショウウオ型ロボット^{[ 44 ]、}カーネギーメロン大学で開発された4つの異なる地上移動モードを持つヘビ型ロボット^{[ 21 ]} 、さまざまな複雑な地形を走ったり登ったりできるゴキブリ型ロボット^{[ 15 ]}などがあります。

ヒューマノイドロボットは、人間の外見をしている、または人間の形に着想を得たロボットです。パーソナルアシスタント、受付、産業作業、コンパニオンなど、さまざまな用途のヒューマノイドロボットがあります。これらのタイプのロボットは研究目的にも使用され、元々は人間の装具や義肢をより良くするために開発されました。Petmanは、Boston Dynamicsで開発された最初期かつ最も先進的なヒューマノイドロボットの1つです。Honda Asimoなどの一部のヒューマノイドロボットは、過剰に駆動されています。^{[ 45 ]}一方、コーネル大学で開発されたロボットのように、アクチュエータを持たず、緩やかな坂をパッシブに下るヒューマノイドロボットもあります。^{[ 46 ]}

動物の集団行動は、ここ数年研究者の関心を集めてきた。アリは川で生き残るためにいかだのような構造物を作ることができる。魚は大きな群れでいる方が環境をより効果的に感知できる。群ロボット工学は比較的新しい分野であり、目標は、協力して作業し、データを転送し、構造物を共同で構築できるロボットを作ることである。^{[ 47 ]}

最近の研究では、魚の群れやその他の生物群な​​どの海洋生物に見られる集団行動からヒントを得て、水中群ロボットのための生物に着想を得た協調アルゴリズム、通信戦略、システムアーキテクチャが調査されている。^{[ 48 ]}

ソフトロボット^{[ 49 ]}は、タコやヒトデのように、柔らかい素材だけで構成され、空気圧によって動くロボットです。このようなロボットは、非常に限られた空間（人間の体内など）でも動けるほど柔軟です。最初のマルチ歩行ソフトロボットは2011年に開発され^{[ 50 ]}、ソフトバッテリーと制御システムを備えた最初の完全統合型独立ソフトロボットは2015年に開発されました^{[ 51 ]。}

• ポリペダルラボ（ボブ・フル教授）
• 生体模倣ミリシステム研究室（ロン・フィアリング教授）
• 生体模倣・器用な操作研究室（マーク・カットコフスキー教授）
• バイオミメティック・ロボティクス研究室 (キム・サンベ教授)
• ハーバード大学マイクロロボティクス研究所（ロブ・ウッド教授）
• ハーバード大学バイオデザイン研究所（コナー・ウォルシュ教授）
• ETH機能性材料研究室（ウェンデリン・スターク教授）
• MITの脚研究室
• ジョージア工科大学生物着想型デザインセンター
• ケース・ウェスタン・リザーブ大学、生物着想型ロボット工学研究所
• バイオロボティクス研究グループ（S. Viollet/F. Ruffier）、運動科学研究所、CNRS/エクス＝マルセイユ大学（フランス）
• タリン工科大学バイオロボティクスセンター
• BioRob EPFL (Auke Ijspeert 教授)