マイクロボティクス

マイクロボティクス（またはマイクロロボティクス）は、小型ロボット、特に特性寸法が 1 mm 未満の移動ロボット の分野です。この用語は、マイクロメートル サイズの部品を処理できるロボットにも使用できます。

マイクロボットは、20 世紀最後の 10 年間にマイクロコントローラが登場し、シリコン上にマイクロ電気機械システム(MEMS) が登場したことにより誕生しましたが、多くのマイクロボットはセンサー以外の機械部品にシリコンを使用していません。このような小型ロボットの最初期の研究と概念設計は、1970年代初頭、米国諜報機関の（当時の）機密研究で実施されました。当時想定されていた用途には、捕虜救出支援や電子傍受ミッションなどがありました。当時は基礎となる小型化支援技術がまだ十分に開発されていなかったため、この初期の計算と概念設計からすぐにプロトタイプ開発の進展は得られませんでした。^[1] 2008年現在、最小のマイクロロボットはスクラッチドライブアクチュエータを使用しています。^[2]

ワイヤレス接続、特にWi-Fi（家庭内ネットワーク）の発達により、マイクロボットの通信能力が大幅に向上し、その結果、他のマイクロボットと連携してより複雑なタスクを実行する能力が向上しました。実際、最近の多くの研究はマイクロボットの通信に焦点を当てており、ハーバード大学では1,024体のロボットがさまざまな形に組み立てられ、^[3] SRIインターナショナルでは、軽量で高強度の構造を構築できるDARPAの「マクロ製品用マイクロファクトリー」プログラム向けにマイクロボットを製造しています。 ^{[4] [5]}

ゼノボットと呼ばれるマイクロボットも、金属や電子機器の代わりに生物組織を使用して作られています。 ^[6]ゼノボットは自己発電、生分解性、生体適合性を備えているため、従来のマイクロボットの技術的および環境的な複雑さの一部を回避しています。

「マイクロ」という接頭辞は主観的に「小さい」という意味で使われてきたが、長さのスケールを標準化することで混乱を避けることができる。したがって、ナノロボットは1マイクロメートル以下の特性寸法を持ち、1～1000nmのサイズ範囲の部品を操作することになる。^[要出典] マイクロロボットの特性寸法は1ミリメートル未満、ミリロボットの特性寸法は1センチメートル未満、ミニロボットの特性寸法は10センチメートル（4インチ）未満、小型ロボットの特性寸法は100センチメートル（39インチ）未満となる。^[7]

多くの情報源では、1ミリメートルを超えるロボットをマイクロボット、1マイクロメートルを超えるロボットをナノボットと呼んでいます。参照:カテゴリ:マイクロロボット

マイクロロボットが動き回る方法は、その目的と必要なサイズによって決まる。サブミクロンのサイズでは、物理的世界ではむしろ奇妙な移動方法が求められる。空中ロボットのレイノルズ数は1未満である。 粘性力が慣性力よりも優位である ため、「飛行」にはベルヌーイの揚力の原理ではなく、空気の粘性を利用することができる。流体中を移動するロボットには、大腸菌の運動性形態のように 回転する鞭毛が必要になるかもしれない 。ホッピングはステルス性があり、エネルギー効率が良いため、ロボットはさまざまな地形の表面を移動することができる。^[8]先駆的な計算 (Solem 1994) では、物理的現実に基づいて可能な動作が検討された。^[9]

マイクロロボットの開発における大きな課題の 1 つは、非常に限られた電源で動作を実現することです。マイクロロボットは、コイン型電池のような小型軽量の電池を使用することも、振動や光エネルギーの形で周囲の環境から電力を回収することもできます。 ^{[10]また、マイクロロボットは、鞭毛のある}Serratia marcescensなどの生物モーターを電源として使用し、周囲の液体から化学エネルギーを引き出してロボット装置を作動させています。これらのバイオロボットは、化学走性や電気走性などの刺激によって直接制御でき、いくつかの制御方式が利用可能です。オンボードバッテリーの一般的な代替手段は、外部誘導電力を使用してロボットに電力を供給することです。例としては、電磁場、^[11]、超音波、光を使用してマイクロロボットを作動および制御することなどが挙げられます。^[12]

2022年の研究では、「微生物学と生物医学に応用される光駆動型マイクロロボットの設計」のための光生体触媒アプローチに焦点を当てました。^{[13] [14] [15]}

マイクロロボットは、固体表面から流体まで、さまざまな環境を移動するためにさまざまな移動方法を採用しています。これらの方法は、多くの場合、生物系にヒントを得たもので、マイクロスケールで効果を発揮するように設計されています。^[16]正確で効果的かつ効率的な動きを保証するために、マイクロロボットの移動の設計と操作では、いくつかの要素（精度、速度、安定性）を最大化する必要があり、他の要素（エネルギー消費、エネルギー損失）を最小化する必要があります。^[17]

マイクロロボットの移動を説明する際には、歩幅や輸送コストなど、いくつかの重要なパラメータを使用してその移動を特徴付け、評価します。歩幅とは、生物またはロボットが特定の一連の動作を繰り返すことによって前進するために必要なすべてのステップまたはフェーズを含む完全な運動サイクルを指します。歩幅（𝞴 _s）は、マイクロロボットが移動メカニズムの1つの完全なサイクルでカバーする距離です。輸送コスト（CoT）は、マイクロロボットの単位質量を単位距離移動するために必要な作業を定義します^[17]

表面移動を使用するマイクロロボットは、歩く、這う、転がる、ジャンプするなど、さまざまな方法で移動できます。これらのマイクロロボットは、重力や摩擦などのさまざまな課題に対応します。表面移動を表すパラメータの 1 つが、次のように定義されるフルーン数です。

${\displaystyle Fr={\frac {v^{2}}{g*\lambda _{s}}}}$

ここで、vは動作速度、gは重力場、𝞴sは歩幅です。低いフルード数を示すマイクロロボットは重力が支配的であるため、より遅く安定して動きますが、高いフルード数は慣性力がより重要であることを示し、より速く、より不安定な動きを可能にします。^[17]

這うことは、最も一般的な表面移動タイプの 1 つです。マイクロロボットが這うために使用するメカニズムはさまざまですが、通常は複数の脚または付属肢の同期した動きが含まれます。マイクロロボットの動作メカニズムは、昆虫、爬虫類、小型哺乳類などの動物からヒントを得ていることがよくあります。這うマイクロロボットの例としては、RoBeetle があります。自律型マイクロロボットの重量は 88 ミリグラム (米粒 3 粒の重さに相当) です。このロボットはメタノールの触媒燃焼によって駆動します。この設計は、制御可能な NiTi-Pt ベースの触媒人工マイクロ筋肉と機械制御メカニズムに依存しています。^[18]

マイクロロボットの表面移動を駆動するその他のオプションには、磁気、電磁、圧電、静電、および光駆動があります。

水泳マイクロロボットは、生体液や水などの流体環境を3Dで操作するように設計されています。効果的な動きを実現するために、鞭毛推進、牽引、化学推進、ジェット推進、尾の波動など、小さな水生動物や微生物から移動戦略が採用されています。水泳マイクロロボットが前進するためには、水を後方に押し出さなければなりません。^[17]

マイクロロボットは、その小型さと低速動作、そして移動する流体の高粘度のため、低レイノルズ数領域で動きます。このレベルでは、粘性力が慣性力よりも優位になります。効果的な動きを実現するには、マクロスケールでの水泳とは異なる設計アプローチが必要です。低レイノルズ数により正確な動きも可能になり、医療、マイクロマニピュレーションタスク、環境モニタリングなどへの応用に適しています。^{[16] [17]}

ロボット上の支配的な粘性（ストークス）抗力 T _{drag は、}遊泳機構によって生成される 推進力 F _{pとバランスをとります。}

 ${\displaystyle T=T_{(}抗力)={\frac {bv}{m}}}$

ここでbは粘性抵抗係数、vは運動速度、mは体の質量である。^[17]

水泳型マイクロロボットの例の1つは、らせん状の尾と磁気ヘッド本体からなるらせん状の磁気マイクロロボットです。この設計は、細菌の鞭毛運動にヒントを得ています。低強度の回転磁場内でらせん状のマイクロロボットに磁気トルクを加えると、回転を直線運動に変換できます。この変換は、マイクロロボットの独特のらせん構造により、レイノルズ数の低い環境で非常に効果的です。外部磁場を変更することで、らせん状のマイクロロボットの運動方向を簡単に反転できます。^[19]

マイクロロボットが空気と流体の界面にいる特定の例では、表面張力と毛細管現象によって生じる力を利用できます。空気と液体（ほとんどの場合は水）が出会う地点では、表面張力の働きによってマイクロロボットの重量を支えることができる界面を確立することができます。液体の分子間の凝集によって表面張力が生じ、それが水面に「皮膜」を形成し、マイクロロボットが沈むのではなく浮くようになります。このような概念を通じて、マイクロロボットは空気と流体の界面の特性を探索することで、登る、歩く、浮遊する、浮く、さらにはジャンプするなどの特定の移動機能を実行できます。^{[17] [20]}

表面張力σにより、浮力F _bと曲率力F _{c が}最も重要な役割を果たし、特にマイクロロボットが液体の表面で浮くか沈むかを決定する上で重要な役割を果たします。これは次のように表すことができます。

${\displaystyle \sigma =F_{b}+F_{c}}$

F _{b は}、物体が水と接触している領域にわたって静水圧を積分することによって得られます。対照的に、F _{c は}、この領域にわたって曲率圧力を積分するか、または接触周囲に沿った表面張力の垂直成分を積分することによって得られます。 ^[21]${\displaystyle \sigma \sin \theta}$

空気流体移動を利用した登攀歩行マイクロロボットの一例としては、ハーバード電気接着歩行マイクロロボット（HAMR-E）がある。^[22] HAMR-Eの制御システムは、ロボットが困難な環境でも柔軟かつ機動性を持って機能できるように開発されている。その特徴としては、電気接着システムによって実現された水平、垂直、反転面を移動する能力が挙げられる。これは電場を利用して静電引力を作り出し、ロボットがさまざまな表面に貼り付いて移動する。^[23] 4つの柔軟な電気接着フットパッドを備えたHAMR-Eは、ガラス、木材、金属など、さまざまな種類の基板を安全につかんで滑らせることができる。^[22]このロボットはスリムなボディで、自由にポーズをとれるため、複雑な動きを簡単に実行でき、どんな表面でもバランスを取ることができる。

飛行マイクロロボットは、昆虫や鳥の飛行メカニズムを模倣して空中で動作するように細心の注意を払って設計された小型ロボットシステムです。これらのマイクロロボットは、揚力、推力、および運動に関連する問題を克服する必要がありますが、このような小さなスケールでは達成するのが難しく、ほとんどの空気力学理論を修正する必要があります。能動飛行は、マイクロロボットが前進しながら自分の体重を持ち上げなければならないため、最もエネルギーを消費する移動モードです。^[17]この機能を実現するために、これらのマイクロロボットは昆虫の羽の動きを模倣し、揚力と推力を生み出すために必要な気流を生成します。ロボットの小型化された翼は圧電材料で駆動され、翼の運動学と飛行力学をより適切に制御できます。^[24]

羽ばたき翼でホバリングを維持するために必要な空気力学的パワーを計算するための基本的な物理方程式は次のように表される。

${\displaystyle mg=2*\rho *l^{2}*\phi *\upsilon _{i}^{2}}$

ここで、mは体の質量、Lは翼の長さ、Φは翼の羽ばたきの振幅（ラジアン）、ρは空気の密度、V _iは羽ばたきと回転運動の結果としての体の周囲の誘導空気速度に対応する。この式は、小さな昆虫やロボットデバイスが、自身の重量を相殺するために周囲の空気に十分な運動量を与えなければならないことを示している。^[25]

飛行移動を利用した飛行マイクロロボットの一例としては、RoboBeeとDelFly Nimble ^{[26] [27]}があり、飛行力学に関してはそれぞれハチとショウジョウバエを模倣している。ハーバード大学は、ハチバエを模倣し、ハチバエのように離着陸し、限られた空間を移動する小型ロボットRoboBeeを発明した。これは、自動運転による受粉や行方不明の人や物の捜索活動に使用できる。デルフト工科大学が開発したDelFly Nimbleは、その軽量さと高度な制御メカニズムにより、さまざまなトリックを実行してショウジョウバエの機動性を模倣できる最も機敏なマイクロ航空機の1つである。^{[26] [27]}

マイクロボットは小型であるため、潜在的に非常に安価であり、人間や大型ロボットには狭すぎる、または危険すぎる環境を探索するために大量に使用することもできます (群ロボット)。マイクロボットは、地震後に倒壊した建物で生存者を捜索したり、消化管を這うなどの用途に役立つことが期待されています。マイクロボットは、腕力や計算能力が不足している部分を、マイクロボットの群のように多数使用することで補うことができます。

実証されたプロトタイプの潜在的なアプリケーションには次のものがあります。

バイオハイブリッドマイクロスイマーは、主に統合された生物学的アクチュエータと合成貨物キャリアで構成されており、最近、低侵襲性セラノスティックアプリケーションに向けて有望であることが示されています。^{[31] [32] [33] [34]}細菌^[35] [ ^36] 微細藻類^{[37] [38]}精子[ ^{39] [40]}などのさまざまな微生物が、環境刺激によるターゲティング、狭い隙間を通るナビゲーション、腫瘍環境の壊死領域への蓄積などの高度な医療機能を備えたさまざまなバイオハイブリッドマイクロスイマーの製造に利用されています。^[41]音響や磁場などの長距離外部場を印加した合成貨物キャリアの操縦性^{[42] [43]}と、化学誘引物質^[44]、pH、酸素^{[45] [46]}などのさまざまな環境刺激に対する生物学的アクチュエータの固有の走性動作により、バイオハイブリッドマイクロスイマーは、幅広い医療用能動貨物輸送アプリケーションの有望な候補となっています。^{[41] [28]}

例えば、肺や消化管への能動的な薬物送達のための生体適合性微細藻類ベースのマイクロロボット^{[47] [48] [49]や、}癌と闘うための「精密標的化」 ^[50]のための磁気誘導工学細菌マイクロボット^{[51] [52]}があり、これらはすべてマウスでテストされています。

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