3Dプリントで実現する「バッテリー不要」のロボット翼｜生物模倣技術の最前線

3Dプリンティング技術と生物模倣（バイオミメティクス）の融合によって、新たなロボット技術が生まれつつある。

ドイツのダルムシュタット工科大学（Technical University of Darmstadt）とドレスデン・ロッセンドルフ・ヘルムホルツセンター（Helmholtz Center Dresden-Rossendorf）の研究チームは、モナーク蝶（オオカバマダラ）の飛行メカニズムにヒントを得た「バッテリー不要」のロボット翼を開発した。

この技術は環境モニタリング、救助活動、さらには医療用途など、幅広い分野での活用が期待されている。

モナーク蝶から学ぶ「効率的な飛行構造」

日本ではオオカバマダラの名で知られるモナーク蝶は毎年メキシコからカナダまで数千キロもの距離を移動することで知られ、その飛行効率の高さは長年にわたって研究されてきた。研究チームは、この驚異的なエネルギー効率を持つ蝶の翅（はね）の構造を3Dプリント技術で再現し、新たなロボット翼の開発に成功した。

このロボット翼の最大の特徴は、「バッテリーを必要としない」点にある。翅の動力は、熱可塑性ポリウレタン（TPU）と微細な磁性粒子を組み合わせた3Dプリント素材によって生み出される。外部の磁場にさらされると、これらの粒子が反応し、翅が自律的に羽ばたく仕組みだ。

3Dプリントによる生物模倣設計

研究チームは合計12種類の異なる翼モデルを作成し、最も効率的な構造を探った。有限要素解析（Finite Element Analysis）と実験を組み合わせた結果、モナーク蝶の翅に見られる「葉脈状の構造」が、耐久性と柔軟性を両立させるのに最適であることが判明した。

この葉脈構造は、レーザーパウダーベッド融合（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技術を用いて精密に3Dプリントされた。L-PBFは金属や樹脂の微粒子をレーザーで焼結する技術で、細かいディテールの再現に適している。

ロボット翼に期待される応用可能性

この新技術は、以下のような分野での応用が期待されている。

1. 環境モニタリング

ロボット蝶は、軽量で効率的な飛行が可能であるため、昆虫や鳥類の生態調査に活用できる。特に花粉媒介昆虫の動態研究や気象観測などで大きな役割を果たすだろう。

2. 捜索・救助（サーチ&レスキュー）

自然災害が発生した際、倒壊した建物の内部や人間が立ち入れないエリアの探索に役立つ可能性がある。小型でエネルギー消費の少ないロボット蝶は、長時間のミッションにも適している。

3. 医療・バイオメディカル分野

研究チームは、ロボット翼技術を「人工筋肉」や「知的材料（スマートマテリアル）」の開発にも応用できると考えている。たとえば、磁場によって変形する医療用ロボットや、ミニマルインベイシブ手術（低侵襲手術）への応用も視野に入れられている。

技術的課題と今後の展望

現時点では、外部の磁場がないと動作できないため、完全な自律飛行は不可能である。今後の研究では、より小型化された磁場発生装置を組み込むことで、独立した制御を可能にすることが課題となる。研究チームのムハンマド・ビラル・カーン（Muhammad Bilal Khan）氏は、「次のステップとして、フィードバック制御付きの磁場発生装置を組み込むことで、自律的な動作を実現したい」と述べている。

また、材料面でもさらなる改良が求められる。現在使用されているTPUと磁性粒子の組み合わせは、一定の柔軟性と強度を持つが、より耐久性の高い素材や軽量化が可能な新規材料の研究が進められているという。

自律運動する未来のロボットへ

3Dプリント技術を活用したロボット翼の開発は、生物模倣技術の新たな可能性を切り拓くものになるだろう。モナーク蝶の飛行構造を再現することで、エネルギー効率が極めて高く、軽量なロボットが実現しつつある。

現在の課題は外部磁場の必要性だが、今後、磁場発生装置の小型化や新素材の開発が進めば、より高度な応用も可能になるだろうと見込まれている。環境モニタリング、救助活動、医療分野など、多岐にわたる分野での活用が期待されるこの技術は、まさに「未来のロボット」の可能性を示すものだろう。

画像引用／Technical University of Darmstadt

参照論文／https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202400620

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