月面の巨大な穴「ピット」と地下の溶岩洞は、宇宙放射線と極端な温度変化を避けられる天然の避難所として注目されてきたが、急峻な崖と落石の危険のためローバーが接近しにくかった。国内の研究チームが複雑な機械装置なしに車輪の大きさを折り畳み式で変えられる折り紙原理の車輪を開発し、小型ローバーの障害物突破能力を高めることに成功した。
イ・デヨンKAIST宇宙研究院・航空宇宙工学科教授の研究チームは、無人探査研究所、韓国天文研究院、韓国航空宇宙研究院、漢陽大とともに「展開型エアレスホイール」を世界で初めて開発したと18日に明らかにした。エアレスホイールは空気を入れない車輪で、過酷な環境でも形状を維持しやすく宇宙探査装置に適した方式とされる。
月のピットと溶岩洞は居住可能性だけでなく研究価値の面でも中核ターゲットとされる。シム・チェギョン天文研惑星探査センター長はこの日のインタビューで「ピットは地質断層が自然に露出している場所で、表層地殻がどのように構成されているかをうかがい知るのに適した場所だ」と述べ、「溶岩洞は過去の火山活動が残した『記録保管所』に近い。壁面の痕跡を分析し、マグマの成分や流下様相などを推定できる」と説明した。
問題はアプローチの方法である。これまで主要な宇宙機関は大型ローバーが近くまで行った後に小型ローバーを下降させる方式を提示してきた。しかし小型ローバーの小さな車輪は段差や岩石などの障害物を越えるのに不利で、機動性の確保が容易ではなかった。車輪の形状を変える可変型ホイールのアイデアもあったが、月は昼夜の温度差が大きく材料が均一に伸縮しなかったり、月の塵が機械の隙間に入り摩耗を引き起こす可能性があった。
研究チームは折り紙構造とソフトロボットの概念を結合し、折り畳み・展開が可能な展開型エアレスホイールを開発した。ヒンジ（蝶番）やギアのような複雑な部品を増やす代わりに、弾性が良く宇宙環境に耐えうる帯状の薄い金属板を編み込み噛み合わせるよう設計して車輪形状を作った。
イ・デヨン教授は「平面の帯を編んで車輪の形を作り、その構造が変形しながら直径が大きくなったり小さくなったりする」とし、「素材には合金の一種であるステンレス鋼を活用した」と語った。
傘や折りたたみ式キャンプカップを思い浮かべると理解しやすい。傘は畳んでいるときは細長いが、広げると面積が大きく広がる。この車輪も同様で、金属板に曲がる部分をあらかじめ設計し、小さく畳んだ状態と大きく展開した状態を行き来させる。
開発した車輪は畳んだ状態では直径が約23cmだが、展開すると50cmまで大きくなる。車輪の大きさを縮めて小型ローバーに搭載し、難地では車輪の直径を拡大して段差を乗り越える能力を高められる。
研究チームは月の土壌と類似の条件を模した試験場で走行性能を確認した。月重力基準で100mの高さから落下する状況に相当する衝撃を加えても形状と機能が維持されるほどの耐衝撃性も確認した。
チョ・ナムソク無人探査研究所代表は「開発に3年近くかかったが、設計より試験しながら変形する部分を把握して改良する過程の方が難しかった」とし、「ドローンを活用した落下実験など、反復検証が時間の大半を占めた」と伝えた。
洞窟探査に合わせた現場型試験も進めた。研究チームはチェジュの洞窟で、傾斜区間と段差区間を対象に走行試験を行った。チェジュの洞窟はユネスコ世界遺産で出入りが制限されているが、関係機関の許可を得て洞窟で国内初のロボット実験を実施できた。
ただしこの日、実際に見た車輪はデモの過程で揺れが比較的大きかった。月探査で走行中の揺れが問題にならないかとの質問に、チャン・ジョンテ韓国航空宇宙研究院責任研究員は「車輪がスプリングのような弾性構造であるため揺れが生じうるし、ローバーに搭載されたカメラ映像の安定性に影響を与えうる」と述べ、「今後は車輪素材を最適化し、揺れを補正できるアルゴリズムや安定化技術を組み合わせる」と語った。
熱も重要な変数とされる。チャン研究員は「月の赤道の温度は最高120度まで上がるが、シミュレーションの結果、車輪表面温度はこれよりはるかに高い230度まで出た」とし、「車輪と接続されたモーターなどに負担となりうるため、熱遮断材を適用するか放熱設計を補完すべきだ」と付け加えた。
今回の成果は、セミナーやワークショップで出会った大学と企業、政府出資研究機関の研究者が自発的に協力して作り上げた結果物である点でも意義が大きい。チョ代表は「米国と日本は宇宙ロボットを大学と企業、政府機関が共に作る構造が一般的だが、国内でもそのような協業モデルを実際の成果として示した」と評価した。
イ・デヨン教授は「これまで誰もきちんと解けなかったピット・溶岩洞の進入問題に対して、世界で初めて解答を提示した技術だ」とし、「まだ国内では月探査ロボットプロジェクトが本格的に始まった段階ではないが、今後関連公募が出れば提案して参加する計画だ」と明らかにした。
先に宇宙航空庁は2032年に無人月着陸船を打ち上げる計画を提示した経緯がある。シム・チェギョンセンター長は「韓国は月探査分野で後発だが、依然として世界で初めて発見できる事柄は多い」と述べ、「今回の研究を含め、韓国独自の独創的な探査ミッションを企画し遂行できればよい」と語った。
研究結果はロボット分野の国際学術誌『サイエンス・ロボティクス』に18日に掲載された。
参考資料
Science Robotics(2025), DOI: https://doi.org/10.1126/scirobotics.adx2549