マイクロボティクス

表面移動を利用するマイクロロボットは、歩行、這い、転がり、跳躍など、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、さまざまな課題に直面します。表面移動を記述するパラメータの1つに、次のように定義されるフロウンデ数があります。

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

ここで、 vは移動速度、gは重力場、𝞴sは歩幅である。フルード数が低いマイクロロボットは、重力が支配的であるため、よりゆっくりと安定して移動するが、フルード数が高い場合は、慣性力がより重要であり、より速く、潜在的に不安定な動きが可能になる。^{[ 17 ]}

這うことは、最も典型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様々ですが、通常は複数の脚または付属肢の同期した動きを含みます。マイクロロボットの動きのメカニズムは、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 RoBeetle があります。この自律型マイクロロボットの重量は 88 ミリグラム (米粒 3 粒程度の重さ) 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されます。この設計は、機械的制御機構を備えた制御可能な NiTi-Pt ベースの触媒人工マイクロ筋肉に依存しています。^{[ 18 ]}

マイクロロボットの表面移動を駆動するための他の選択肢としては、磁気駆動、電磁駆動、圧電駆動、静電駆動、および光学駆動などがある。

遊泳型マイクロロボットは、生体液や水などの流体環境を3次元で移動するように設計されています。効果的な移動を実現するために、鞭毛推進、牽引、化学推進、ジェット推進、尾の波動など、小型水生動物や微生物の移動戦略が採用されています。遊泳型マイクロロボットは、前進するために水を後方に押し出す必要があります。^{[ 17 ]}

マイクロロボットは、その小型サイズと低速動作、および移動する流体の高粘度のため、低レイノルズ数領域で移動します。このレベルでは、慣性力よりも粘性力が支配的です。そのため、効果的な動きを実現するには、マクロスケールでの遊泳とは異なる設計アプローチが必要です。低レイノルズ数は正確な動きも可能にするため、医療、マイクロマニピュレーション作業、環境モニタリングなどの用途に適しています。^{[ 16 ] [ 17 ]}

ロボットに作用する支配的な粘性（ストークス）抗力T_抗力は、遊泳機構によって発生する推進力_{Fpと釣り合っている。}

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

ここで、bは粘性抗力係数、vは運動速度、mは物体の質量である。^{[ 17 ]}

泳ぐマイクロロボットの一例として、らせん状の尾部と磁気ヘッドボディからなるらせん状磁気マイクロロボットが挙げられる。この設計は、細菌の鞭毛運動に着想を得ている。低強度の回転磁場内でらせん状マイクロロボットに磁気トルクを加えることで、回転運動を直線運動に変換することができる。この変換は、マイクロロボットの独特ならせん構造により、低レイノルズ数環境で非常に効果的である。外部磁場を変化させることで、らせん状マイクロロボットの運動方向を容易に反転させることができる。^{[ 19 ]}

マイクロロボットが空気と流体の界面にある場合、表面張力と毛細管運動によって生じる力を利用できます。空気と液体（多くの場合水）が接する点では、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形成することが可能です。液体の分子間の凝集力によって表面張力が生じ、それが水面に「膜」を形成し、マイクロロボットが沈むのではなく浮くことを可能にします。このような概念を通して、マイクロロボットは空気と流体の界面の特性を探求することで、登攀、歩行、浮遊、浮上、さらには跳躍といった特定の移動機能を実行できます。^{[ 17 ] [ 20 ]}

表面張力σ、浮力Fb _、曲率力Fc_が、特にマイクロロボットが液体の表面に浮くか沈むかを決定する上で最も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、水と接触している物体の面積にわたって静水圧を積分することによって得られます。一方、F _cは、この面積にわたって曲率圧力を積分することによって、または代替的に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。${\displaystyle \sigma \sin \theta }$接触周縁に沿って。^{[ 21 ]}

空気流体移動を利用する登攀歩行マイクロロボットの一例として、ハーバード大学電気接着式歩行マイクロロボット（HAMR-E）が挙げられる。^{[ 22 ]} HAMR-Eの制御システムは、困難な環境下でもロボットが柔軟かつ機敏に動作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る水平面、垂直面、および反転面を移動できる能力が挙げられる。このシステムは、電界を利用して静電引力を発生させ、ロボットがさまざまな表面に張り付いて移動できるようにする。^{[ 23 ]} 4つの柔軟で電気接着式のフットパッドにより、HAMR-Eはガラス、木材、金属など、さまざまな基材を安全に掴んで滑走することができる。^{[ 22 ]}ロボットはスリムなボディで、完全にポーズを変えることができるため、複雑な動きやあらゆる表面でのバランスを容易に実行できる。

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精巧に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、および移動に関連する問題を克服する必要がありますが、ほとんどの空力理論を修正する必要があるほど小さなスケールでは、これを実現するのは困難です。能動飛行は、マイクロロボットが前進しながら自身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、翼の運動学と飛行力学をより良く制御できる圧電材料で駆動されます。 ^{[ 24 ]}

羽ばたき翼でホバリングを維持するために必要な空力パワーを計算するには、基本的な物理方程式は次のように表されます。

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

ここで、m は体質量、L は翼の長さ、Φ は翼の羽ばたき振幅（ラジアン）、ρ は空気密度、V _{i は}翼の羽ばたきと回転運動の結果として生じる、体を取り囲む誘導空気速度を表します。この式は、小型の昆虫やロボット装置が自身の重量と釣り合うために、周囲の空気に十分な運動量を与える必要があることを示しています。^{[ 25 ]}

飛行移動を利用する飛行マイクロロボットの一例として、RoboBeeとDelFly Nimble ^{[ 26 ] [ 27 ]}が挙げられます。これらは飛行力学の観点から、それぞれミツバチとショウジョウバエを模倣しています。ハーバード大学が開発したRoboBeeは、ハチバエを模倣し、ハチバエのように離着陸し、狭い空間を移動できる小型ロボットです。自動運転による受粉や、行方不明者や物の捜索活動に利用できます。デルフト工科大学が開発したDelFly Nimbleは、軽量かつ高度な制御機構により、さまざまなトリックを行うことで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空中車両の一つです。^{[ 26 ] [ 27 ]}

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るバイオハイブリッドマイクロスイマーは、最近、低侵襲の治療診断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。^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}細菌^{[ 36 ] [ 37 ]} 、微細藻類^{[ 38 ] [ 39 ]}、精子^{[ 40 ] [ 41 ]}などのさまざまな微生物が、標的化のための環境刺激による自律制御、狭い隙間を通過するナビゲーション、腫瘍環境の壊死領域への蓄積など、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。^{[ 42 ]}音響場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、^{[ 43 ] [ 44 ]}化学誘引物質、^{[ 45 ]} pH、酸素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行動、 ^{[ 46 ] [ 47 ]}により、バイオハイブリッドマイクロスイマーは、幅広い医療用アクティブ貨物輸送用途の有望な候補となっています。^{[ 42 ] [ 29 ]}

例えば、脳^{[ 28 ]}、肺、消化管^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}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や、癌と闘うための「精密標的化」^{[ 51 ]}のための磁気誘導型人工細菌マイクロロボット^{[ 52 ] [ 53 ]}などがあり、これらはすべてマウスで試験されています。