支援的日常生活のためのテンセグリティにより象と同等の剛性可変性を実現した生体模倣バイオニックロボットの鼻

なぜロボットの「鼻（トランク）」が日常で重要なのか

リモコンを渡してくれてもグラスを倒さないほど繊細でありながら、棚から重い箱を持ち上げるほどの力もある追加の腕を持っていると想像してみてください。本研究は象に触発されたロボットの「トランク（鼻）」を紹介します。これは柔らかくしなやかにも、あるいは剛性を高めて力強くにも素早く切り替えられます。車椅子に搭載され、シンプルなインターフェースで制御されるよう設計されており、移動に制約のある人が家庭や公共空間で日常の作業を行うのを支援することを目的としています。

象の鼻に学ぶ

象の鼻は生物学的なマルチツールです。バナナの皮を潰さずにむくことも、人間より重い荷物を持ち上げることもできます。彼らは筋肉の硬さや柔らかさを絶えず調整することでこれを実現しており、力が必要なときは筋群を締め、繊細な動作では緩めます。エンジニアはこれを空気充填構造、ロック機構、温度で硬化・軟化する特殊材料などで模倣しようとしてきました。しかし、これら従来のロボット設計は通常、いくつかの固定した剛性設定しか持たなかったり、かさばるポンプを必要としたり、リアルタイムで反応するには遅すぎたりしました。

ケーブルとバネからなる柔軟な骨格

研究チームは「テンセグリティ」骨格、すなわち張力のかかったケーブルとバネの網でつながれた剛体バーの格子を用いて新しいタイプのロボット鼻を構築しました。長さ1メートル弱、重さ約1キログラムのこのトランクは、巧妙に配置されたバネで区切られたセクションに分かれています。6本の内部ケーブルを電動モーターで引いたり緩めたりすることで、チームはトランクを滑らかな曲線に曲げたり、短くまっすぐに伸ばしたりできます。特定のケーブルを引きつつ他を緩めると、トランクは柔らかく蛇のようになり障害物をよけて進めます。全てのケーブルを同時に引くと構造が収縮し、バネが伸びて弾性エネルギーを蓄え、トランクは大幅に剛性を増します。

優しいタッチから重い持ち上げまで

綿密な実験とコンピュータモデリングにより、彼らのトランクは曲げ剛性を1桁以上変化させ、非常に柔軟な状態から非常に剛直な状態へと約1秒で切り替えられることが示されました。内部測定では、収縮時に特定のバネが初期長の数倍に伸びて弾性エネルギーが劇的に増加し、全体の剛性が高まることが明らかになりました。実地試験では、トランクは狭い空間を曲がって目標に到達し、その後硬くして小さな針で風船を正確に突くことができました。また、卵のような壊れやすい物から重い工具や飲料パックまでを、先端を水平に保ったまま持ち上げることができ、これはケーブルの引く力を調整するだけで実現しました。

世界に対してリアルタイムに反応する

剛性を迅速かつ繰り返し切り替えられるため、ロボットは変化する状況に対応できます。あるデモでは、トランクが卵を支えている間に水の入ったボトルを落下させました。トランクが柔らかい状態では容易に変形して卵が割れましたが、最初に剛直状態へ切り替えたときは同じ衝撃を吸収して卵を割らずに済みました。別の試験では、ボトルがゆっくり水で満たされていく際にトランクがそれを支え、重さが増すにつれてロボットが自動的に短くなり剛性を上げてボトルを安定して水平に保ちました。これらの例は、可変剛性のトランクが繊細な操作を行うマニピュレータとしても、不意の衝突やインパクト時に保護構造としても機能し得ることを示しています。

日常環境で人々を助ける

実用性を探るため、研究者たちはロボットトランクを電動車椅子に搭載し、カメラ、ソフトグリッパー、簡単な操作パネルを追加しました。ユーザーは一方のジョイスティックで車椅子を操り、もう一方でトランクを操作し、画面にカメラ映像が表示されます。プリセット動作と手動微調整を組み合わせて、健常なボランティアと脳卒中後の利用者の双方がこのシステムを使い、戸棚の開閉、高い棚への本の配置、洗濯機への洗濯物投入、ゴミ捨て、店舗や飲食店での食べ物や飲み物の取り回しといった日常作業を行いました。スライド式の操作で剛性を変えられるため、利用者は狭い場所や軽い物を扱うときにトランクを柔らかくし、重い荷物を運ぶときや精密な配置が必要なときに剛くすることができました。

これが示す将来像

この研究は、象の鼻に触発されたケーブルとバネのロボットが、動物の持つ幅広い剛性と素早い切り替えに匹敵しつつ、車椅子に搭載できるほど軽量でコンパクトであり得ることを示しています。滑らかに柔軟な動作から強く荷重に耐える支持へ移行できる能力は、安全性と適応性が重要な支援技術において特に有望です。耐久性の長期検証やより高度なセンシングの改善は必要ですが、本研究は移動に制約のある人々が日常生活で自分の届く範囲と自立性を拡張するために、高応答なロボット支援を頼れる未来を示唆しています。

引用: Zhang, J., Yang, C., Yang, H. et al. A bionic robotic trunk with tensegrity-enabled elephant-comparable stiffness variability for assisted daily living. Nat Commun 17, 3545 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70380-9

キーワード: ソフトロボティクス, 支援技術, 可変剛性, テンセグリティ, 車椅子ロボティクス