難しいのは、水中と空中の両方で使える「同じ翼」

飛べるロボットは多く、泳げるロボットも珍しくありません。しかし、両方の能力を1機に搭載しようとすると、翼が水に触れた瞬間から課題が始まります。

流体力学のスケーリング則だけから計算すると、推進効率を同程度に保つには、水中と空気中での羽ばたき周波数を約12倍変える必要があります。しかし、ウミスズメやミズナギドリなどの潜水鳥は、通常2〜4倍の変化に留めます。彼らは水中での羽ばたき振幅を小さくし、翼面積を変えることで、筋肉を使う周波数範囲を狭く保っているのです。

翼は折りたたまず、力を受けて自ら変形する

設計の核心は「受動的な妥協点」にあります。翼は「これから水に入るから畳んで」という指示を受ける必要がなく、水そのものが与える負荷で自然に撓むのです。

実験では、小型翼が水中5Hzで最高速度の約0.95メートル毎秒を記録しましたが、低速での離陸には十分な推力を供給できません。大型翼は飛行に有利ですが、水中速度は約0.64メートル毎秒に低下します。中間サイズ・中間剛性が最適な妥協点となり、水中約0.79メートル毎秒、空中平均約6.3メートル毎秒を達成しました。

ロボットを調整する Raphael Zufferey（左）と Moritz Hüsser。画像：John Freidah / MIT News

70° の仰角で、出水を3段階に分ける

柔軟性だけでは不十分です。ロボットが水面へ近づく角度も、翼のスペースを確保する上で重要になります。角度が水平に近すぎると翼端が繰り返し水面を叩き、急すぎると機体が後ろへ倒れ込みます。

湖面試験では、ロボットは通常8〜10回の羽ばたきで離陸を完了しました。論文で報告されている70° の実験はすべて成功し、「1秒以内での自由飛行」を結果の一つとして挙げています。ウミスズメやアヒルのように足で水をかくことはありません。

媒質間移動の可能性は証明。しかし、海上での実用にはまだ距離

この研究の価値は2つあります。工学的には、水と空気を繰り返し移動できる軽量の羽ばたきプラットフォームを実現しました。生物学的には、翼幅、剛性、周波数、出水角を系統的に変えることで、潜水鳥がなぜ同じ運動戦略を採るのかを検証できるようになりました。

論文の推定では、現在のバッテリー、パワー、速度を基に、1回の充電で約6kmの飛行、または低周波の羽ばたきで水中を約2km水平遊泳できるとしています。これらの数値はパワーモデルに基づく推定であり、全任務を完了した後の実測距離ではありません。

研究チームは、岸や船から氷山、港湾施設、クジラの近くへ飛び、水中で測定やサンプリングを行い、再び飛んでデータを持ち帰ることを構想しています。実現には、旋回翼、風浪下での安定性、自律制御、通信、センサー搭載などの課題を解決する必要があります。