間欠遊泳は魚型ロボットの運動エネルギー効率を向上させる

エネルギー性能を向上させることは、ロボットの稼働時間を延長し、バッテリー負荷を軽減することを可能にする。自然界はすでにこの道筋を探求している：間欠遊泳は、ゼブラフィッシュの幼生、レッドノーズテトラ、コイ、さらにはクジラに至るまで、非常に多様なサイズの水生生物に広く見られる行動である。この遊泳モードは、体と尾の短い能動的なうねり運動フェーズと、その後、体をまっすぐで流線形に保った受動的な滑走フェーズを交互に繰り返す。

ゼブラフィッシュに着想を得たロボット

このメカニズムを研究するため、研究者らはゼブラフィッシュ幼生に着想を得たロボットプラットフォーム（ZBot）を開発した。ロボットは幼生の200倍のスケールで、全長80cm、質量2.8kgである。その柔軟な尾は6つのセグメントからなり、サーボモーターによって駆動される。一方、頭部には神経系の役割を果たす中央制御装置、高精度カメラ、リアルタイム電力計が収められている。

EPFLとデューク大学のチームはまた、ゼブラフィッシュの神経回路をシミュレートする神経計算モデルを構築した。これは、リズミカルなうねり信号を生成する中枢パターン発生器（CPG）と、「バウトゲート」モジュールに基づいている。後者は入力信号を蓄積し、設定された閾値を超えた場合にのみ尾のうねり運動を引き起こし、「能動的バウト、受動的滑走」という自然なリズムを再現する。尾の振動周波数、振幅、およびこのモジュールの閾値を調整することで、ZBotは幼生の複数の遊泳様式（低速直進遊泳、通常旋回、「Jターン」）を再現した。このモデルはまた、ロボットとそのデジタルツインであるsimZFishにおいて、視覚に導かれた視運動性反応を再現することも可能にした。

粘性の役割

研究者らはまた、このエネルギー上の利点が、非常に小さな生物が生息するような、より粘性の高い流体中でも持続するかどうかも検討した。無次元数であるレイノルズ数は、流れにおける慣性力と粘性力の相対的な重要性を比較する。クジラのような大型動物は高いレイノルズ数で遊泳する一方、小さなゼブラフィッシュ幼生は、粘性抵抗の影響がより強く現れる中間レジームで活動している。

異なるサイズの生物を模倣するため、チームは液体の粘性を変更した。中程度の粘性（213.9 cP）の流体はフルーツトッピングのソースに、非常に粘性の高い流体（457.0 cP）は標準的なクレンジングオイルに例えられる。後者の流体中では、ZBotが進む距離は通常の水中でのわずか1/30となる。一方、粘性は旋回能力にはほとんど影響を与えない：1バウトあたりの旋回角度は通常の水中で約60度であり、非常に粘性の高い液体中でも45度を維持する。

エネルギー節約に関する2つの仮説

実験により、間欠遊泳は、到達可能なあらゆる速度、高いレイノルズ数から低いレイノルズ数に至るまで、エネルギー消費を減少させることが確認された。一方で、バウトと滑走の限られたサイクルのため、達成される最大速度は連続遊泳の約60%となる。

最も頻繁に提唱される仮説は、この利得を滑走中の尾のまっすぐな姿勢による抵抗低減に帰している。チームは別の説明として、「アクチュエータ効率」仮説を提案する：間欠遊泳により、ロボットのサーボモーター、あるいは魚の筋肉が、より効率的なレジームで動作することが可能になるという。研究者らによれば、サーボモーターも魚の筋肉も、逆U字型の効率曲線に従い、適度な負荷下でのみ最適となる。低速では、連続遊泳はそれらを負荷不足で非効率な状態に保つのに対し、バウト-滑走サイクルは負荷をこの最適範囲に近づける。

著者らは最後に、これらの結果が水中ロボットの設計を導く可能性があると評価している。低速または中速での巡航には間欠モードを、高速での緊急機動には連続モードを採用することができるだろう。