空中グラバーってかっこいいですか？鳥：私の爪があなたにインスピレーションを与えたのです

公園に行くのが好きな人なら、鳥が枝の上で楽しそうに飛び跳ねている光景を見たことがあるはずです。枝が太かったり細かったり、滑らかだったりざらざらしていたり​​、苔で覆われていたりしても、鳥は枝を同じように扱い、根のように枝にしがみつき、枝の上にしゃがんで昼寝をすることも簡単なことに気づいたことがありますか。

枝にしっかりと止まっている鳥たち（写真提供：Sina Weibo https://weibo.com/1867169435/FAMXKznUl）

注意深い科学者たちはずっと昔にこの現象を発見し、鳥から学びました。ついに彼らは、科学技術分野の「小鳥」であるドローンに一対の爪を装備することに成功し、この機械的な爪をSNAGと名付けました。

GIF: SNAG は物体をしっかりと掴み、鳥のように着地することができます (画像ソース: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

米国のスタンフォード大学のエンジニアであるマーク・カトコスキー氏とオランダのフローニンゲン大学のデイビッド・レンティンク氏の2人の科学者は、鳥からインスピレーションを得て、ドローンに搭載できるロボットの爪「SNAG」を発明し、有名な科学雑誌「サイエンス・ロボティクス」の表紙に掲載されました。

現在、この機械式クローは同社が製造したドローンに搭載され、多次元での実験や実際のミッションテストが行​​われています。

なぜ鳥はこの技術を習得できるのでしょうか?科学者はどのようにして鳥から技を学び、ドローンにこれほど信頼できる爪を与えることができたのでしょうか?

パート1

驚くべき構造と精巧な骨を持つ一対の爪

鳥にはさまざまな種類があり、枝につかまる能力もさまざまです。ダチョウ、フラミンゴ、アヒルなどの鳥は長距離を飛んだり木に止まったりする能力がないので、爪の掴む能力は当然比較的弱いです。一方、他のほとんどの鳥は枝の上でしっかりと立つことはおろか、枝の上で簡単に眠ることができます。

実際、鳥のこの能力に最も大きく貢献しているのは、その爪の特殊な構造です。表皮から筋肉、靭帯、そして骨に至るまで、何百万年もの進化により、鳥の爪のあらゆる細部は「つかむ」という小さな動作に合わせて調整されました。

ハヤブサの強くて力強い爪（写真提供：Veer Gallery）

まずは外皮から始めましょう。誰もが「虎皮鶏爪」という料理を食べたことがあると思います。よく観察してみると、鶏の足の表面は小さな突起で覆われており、地面と接する部分には突起がさらに密集していることがわかります。他のほとんどの鳥の爪もこの鱗状のケラチン構造を持っており、これにより鳥の爪と地面の間の接触面積と摩擦が最大化され、滑らかなワイヤーの上でもしっかりとつかまることができるのです。

さらに、この皮膚の層は硬く、痛覚神経がないため、鳥は枝や荒れた地面を見ると、切り傷や引っかき傷を心配することなく、何も考えずに着地して止まることができます。

鳥の爪の表皮は、鱗状の角質で硬い皮膚構造をしています（画像提供：Veer Gallery）

精巧に作られているのは爪の皮だけではありません。鳥の筋肉、靭帯、骨は、完璧に組み合わさった精巧な機械のようなものです。ほとんどの鳥は前に 3 本、後ろに 1 本、合計 4 本の爪を持っています。これらの爪は細くて長く、さまざまな太さの枝に巻き付けてしがみつくのに適しています。鳥の爪が枝をつかむと、鳥はすぐにしゃがんで足を曲げます。屈筋腱が自動的に引き締まり、爪を動かして枝を挟み込みます。 「座る」という小さな動作が一連のメカニズムをトリガーし、それが一気に完了したようです。この時点で、留められた爪は「ロック」されたような状態となり、仮眠しても簡単には緩みません。

パート2

眠ったり狩りをしたりと、とても忙しい足です

これを見ると、鳥の「ロックされた」爪はきっと力に満ちていると思いますか?驚くべきことに、物を掴むときに筋肉が緊張する人間の手とは異なり、鳥の手は爪を握っているときに筋肉が弛緩している。つまり、鳥は落下するときと飛び立つときにのみ力を発揮すればよく、枝に止まったり、木の幹につかまったりするのに何の困難もありません。

そのため、鳥は枝の上に簡単に止まり、休憩したり昼寝したりすることができます。さらに、鳥は通常、浅いレベルで眠り、脳の半分が眠っていても、もう半分は起きている状態で眠ることもあります。そのため、鳥は木の上で昼寝をしているときでも、体のさまざまな部分を調整してバランスを保つことができます。

このような繊細で柔軟、そして強くて力強い爪は、多くの鳥の狩猟武器でもあります。肉食鳥類の主な武器はくちばしと爪であり、ワシはこれら2つの武器を極限まで使いこなすのが得意です。ワシの爪の握力は人間の10倍あり、大型動物の頭蓋骨を簡単に突き刺すことができます。それは本物の武器です。鳥の爪は非常に精密かつ実用的であるため、科学者は発明品を創り出す際にそこから多くのインスピレーションを得てきました。

パート3

スナッグ：人間が鳥から学んだもう一つの例

昔、人類は鳥の飛行原理を学び、それを改良し、飛行機を発明して応用しました。回転翼ヘリコプターや小型ドローンの構造はもはや鳥類とは似ていないが、それでも人々は鳥類から多くのインスピレーションを得て、それをドローンに取り入れることができる。今日のロボット爪「SNAG」は、人間が鳥から学んだもう一つの成果です。

SNAGを搭載したドローンが木にしっかりと固定されている（画像出典：参考文献[1]）

SNAGは3Dプリント技術を使用して製造されており、素材は軽量で強度と耐久性に優れています。全体的な構造は、爪の表皮、骨、主要な連結腱など、ワシの爪をモデルにしています。

SNAG 表面には摩擦を高めるつま先パッドと爪先があり、接触面との十分な摩擦を確保します。ワシの爪の骨格腱に似たギアとコネクティングロッドで構成された伝達構造により、グリップの堅牢性と低エネルギー消費が保証されます。鳥の筋肉の特性と同様に、SNAG は静的グリップを維持しているときに自然に低エネルギー状態になります。

鷲の爪を模したこのデザインは大成功を収めました。 SNAGは、ドローンの重量を支えるのに十分な大きさの枝や、凹凸のある地面など、さまざまな物体の表面を長時間にわたって把握することができました。本物の鷲の爪のように、指示に従って物を掴んで拾い上げることもできます。

パート4

SNAG で何ができるでしょうか?

優れた鳥の爪と同様に、この機械的な爪の主な役割はドッキングと把持であり、これら 2 つの機能はドローンの実際の操作にとって非常に重要です。

まず、ドッキングはドローンの電力を節約するための重要な手段です。ドローンで遊んだことがある友人なら、バッテリー寿命がドローンの性能をテストするための重要な指標の 1 つであることを知っているはずです。しかし、野生生物の監視や状況調査などの作業では、ドローンを長時間ホバリングさせる必要があるため、既存の電源では作業の完了をサポートできません。 SNAG を利用してドローンをドッキングできれば、消費電力はホバリング時の 1/10 以下になり、ドローンの耐久性不足の問題が大幅に緩和されます。

第二に、物体を掴んで輸送する能力は、ドローンの汎用性にとって明らかに重要な意味を持ちます。人間が到達することが難しい複雑で険しい地域や、有毒ガスが充満した鉱山や危険な生物が潜む沼地など事故リスクの高い地域などの特定の環境では、ドローンは迅速な検出、サンプル採取、短距離輸送などのタスクを完了することができます。

GIF: SNAG はスムーズに離着陸できる (画像出典: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj7562)

SNAG には、掴む操作に人間の制御が必要であり、掴むのに適した表面や枝を自動的に検出できないなどの問題がまだありますが、それでも私たちに想像の余地を与えてくれます。

将来的には、SNAG は特定の複雑なシナリオにおけるドローンの標準機能となり、ドローンの長期運用と柔軟なサンプル収集が可能になる可能性があります。また、他の種類のロボットや火星探査車などの応用シナリオでも活躍する可能性があります。

SNAG は、鳥を模倣した人類のもう一つの独創的な成果であり、バイオニック ロボットの新たな前進です。実際、科学の本質は、継続的な探究、インスピレーション、革新を通じて進歩し、自然の法則を学び習得し、それを人類の進歩の力に変えることにあります。周囲に注意を払い、移住について考えることに集中しましょう。おそらく、次の人気発見はあなたの家の階下の森に隠されているでしょう。

参考文献:

[1] ロデリック・WRT他（2021年）。 「樹上環境における鳥類にヒントを得た動的な掴み動作と止まり木動作」サイエンスロボティクス6(61):eabj7562..

制作：中国科学普及協会

著者: 智耀科学普及

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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