ANTARCTICA

 

めざすは南極、しかも冷た〜い湖の底。

なぜ行くのか? それは珍しい生き物がいるから!

世界一深いマリアナ海溝の高画質撮影を成功に導いた、

若き水中ロボット工学者が、南極大陸の地を踏み、

過酷な現地調査に同行することになったのだが…。



著者プロフィール
後藤慎平(ごとう しんぺい)

大阪生まれ。筑波大学大学院博士後期課程修了。博士(工学)。民間企業、海洋研究開発機構を経て、東京海洋大学助教。専門は深海探査機の開発、運用。2014年から生物研究にまつわる海洋機器開発に取り組み、2018年には南極の湖底に生息するコケボウズを水中ロボットで撮影する、世界初のミッションを成し遂げた。雑誌「トラ技 jr」にて「深海のエレクトロニクス」を連載中。

【バックナンバー】
第1話 日本出発
第2話 フリーマントルから南極へ
第3話 暴風圏突入!
第4話 上陸訓練はペンギンと一緒に
第5話 しらせを発艦! 南極大陸に上陸!
第6話 南極への熱き想い
第7話 南極観測船の模型の世界
第8話 きざはし浜小屋生活、はじまる
第9話 調査地「長池」は美しかった
第10話 南極のクリスマス・イブ
第11話 スカーレンの小事件
第12話 ROVは動くのか、の前に風呂
第13話 しらせの年越し蕎麦は海老天2本
第14話 南極のおせちには愛情が詰まってた
第15話 ブリザード襲来、でも調査開始
第16話 長池、くわい池、仏池!
第17話 世界初!? オーセン湾の潜水調査
第18話 なまず池! もどって長池本番!
第19話 南極で風邪をこじらせたら
第20話 思いがけず昭和基地へ
第21話 南極の風邪に御用心
第22話 きざはし浜で怒涛の調査!
第23話 水中探査機入門 その1

 

めざすは南極湖底生物!

水中ロボットを背負って

 

第24話

水中探査機入門 その2

文と写真 後藤慎平(水中ロボット工学者)


大型ROVの一例。JAMSTECが運用する「かいこうMk-Ⅳ」。

水中探査機入門の2回目の今回は、ROV(Remotely Operated Vehicle)についてさらに詳しく掘り下げていくことにする。一口にROVと言っても、水中探査機が多種多様であるように、ROVにもいろいろな種類がある。なぜなら、用途によって必要とされる性能が異なるからだ。
例えば、沿岸で使用するのに10トンや20トンの大型ROVはあまり必要ないが、大深度での海底資源調査には大型マニピュレータを装備した重作業用ROVが必要になる。そのため、適材適所でさまざまなROVが開発されており、概ね、大型、中型、小型の3つのカテゴリーに分類することができる。

◎大型ROV

主に海底でのサンプリングなどの重作業を行うROVで、重い物を持ち上げることができる巨大なマニピュレータや大型のスラスタを装備している。強力なパワーを生み出す源として、油圧ポンプを使用しているものが多い。少し脱線するが、せっかくなので「油圧」について図を使って簡単に説明しておこう。


油圧回路のブロック図。
まず、電動機(図中のいちばん右にある箱)と呼ばれるモーターでポンプの羽根を回転させ、高い圧力で油を押し出す。押し出された油は配管内を通ってスラスタ(推進器/図中のいちばん左にある箱)などへと流れ込む(赤い矢印)。スラスタの内部には水車のような羽根(ギヤ)があり、油の流れによってこれが回転する。そして、ギヤと連動してプロペラが回ることで推進力が発生する。もしプロペラの回転速度を変えたくなったら、圧力調整弁(図中の中央の箱)を操作してギヤに流れ込む油の量を調整しよう。水路に流れる水が少ないときは水車の回転がゆっくりで、水量が多いときは回転が速いのをイメージしてもらえればわかりやすいだろう。圧力調整弁は水路に流れる水量を調整する水門のような役割と言えるだろう。
ギヤの回転に使用した油は、出口側の管の中を通って再びポンプへと戻る。そして、またポンプで圧力が高められてギヤへと押し出される、循環経路となっている。この時、ポンプから押し出された油の流れを「高圧側」、ポンプへと戻る油の流れを「低圧側」と呼ぶ。
さて、ROV本体の話に戻ると、大型ROVのケーブルは他の小型や中型のROVに比べて太く長い物を使用する。そのため巨大なウィンチが必要になるので、機器を搭載する広いスペースを有する大型船舶での運用が主となる。大深度での作業が可能である特徴を生かし、生物調査や海底資源調査、海洋開発など幅広く活用されているのが大型ROVだ。

◎中型ROV

浅海~中層といった浅い場所での調査や軽作業を行うROVで、スラスタやマニピュレータも電動式のものが多い。運用に必要な機器もコンパクトなので、重作業用のROVと違い、さまざまな船舶での運用が可能なのが大きな特徴と言える。生物のサンプリングや環境のモニタリングに使用されることが多い。


中型ROVの一例。三井造船製「RTV-Super800」。

◎小型ROV

沿岸や湖沼など水深100~300mほどの浅い場所での調査に多く用いられる。機体は人が片手で持てるほど小型のものもあり、搭載されている機器もカメラや簡易的な観測装置などに特化されているため、漁船やプレジャーボートなどでも運用が可能。漁業やダムなどの設備点検に用いられることが多かったが、近年では水中遺跡調査などでも使用される。


小型ROVの一例。国産ROVキット「ROV-TRJ01」の本体。


国産ROVキット「ROV-TRJ01」。

◎ROVを動かす基本的な原理

ROVは「Remotely Operated Vehicle」という名が示すとおり、「遠隔」で「操縦」する「探査機」のこと。近年では「遠隔」から何か物体を動かすというと、すぐに思いつくのがWi-Fiなどの無線通信だと思うが、水中では電波は驚くほど減衰するため、1mも離れると通信できなくなる。そのため、水中での通信には「音波」が用いられるが、1度に伝送できるデータ量は数バイト程度であることから、リアルタイムでの映像伝送や複雑な制御信号の通信には不向きである。
では、ROVはどうやって動いているのか? 本連載を読んでくださっている方の中には、「リモコン戦車の原理」と言えばピンと来る人も少なくないと思うが、最近、中学校や高校でこのワードを出してもピンとくる若者はほぼ皆無である。そこで、ここではまず「リモコン戦車」の原理から説明することにする。


タミヤ模型から発売されているリモコンブルドーザーキット。


1日でササっと作ったリモコン戦車。懐かしさが漂う。
そもそも、「リモコン」と聞くと、テレビやエアコンの操作に使われるような細長い物を思い浮かべる人が多いかもしれないが、私が子供のころのテレビやエアコンは、本体とケーブルで繋がれた小さな箱に付いたダイヤルやスイッチをガチガチ、パチパチして操作していた。


家電におけるリモコンの変遷。筆者が子供の頃は右側の直結式がまだまだ現役だった。
つまり、わざわざ本体のある場所まで行かなければ操作できなかったのだが、スイッチの制御信号線を手元や別の場所まで延ばすことで、本体まで行ってスイッチを操作する必要がなくなったのだ。これが「リモコン」つまり「リモートコントロール」の原型である。
この「リモコン」方式は古くから子供用の玩具などにも取り入れられており、その代表格ともいうべき存在が「リモコン戦車」だ。


リモコン(有線式)の原理。

「リモコン戦車」は車体内部に格納されたDCモーターに電圧を印加(いんか/回路に電圧や信号を与えること)して、モーターに繋がれた動輪(キャタピラ)を動かす仕組みである。この時、モーターに電圧を印加するのに必要なのが「電線(制御線)」である。通常、DCモーターの2つの端子にそれぞれ電線を繋いで、その両端を乾電池のプラスとマイナスに接続するとモーターが回転する。
そして、このモーター端子にプラスとマイナスの電線を入れ替えてつなぐと、モーターは逆に回転しだす。「リモコン戦車」は、これを利用して前進させたり後進させたり、その場旋回させたりすることができる。
しかし、いちいち車体のふたを開けて電池の向きを変えるのは面倒だし、いつかは細かな部品が取れたり無くなったりしてしまう。 だったら、電池ボックスを入れ替えやすい位置に搭載すればいいじゃないか?と思うだろうが、そんな前衛的な戦車はあまり見たくない。
そこで、モーターに接続する線を長くして、さらに、電池の向きを入れ替えるのではなく、プラスとマイナスをスイッチで切り替えることで、スムーズに車体の進行方向を変えることを可能にしたのだ。
テレビやエアコンも同じ原理で、リモコンのスイッチを押すことで電気が電線を通って本体の回路に印加される。これにより、電源をON/OFFしたりチャンネルを変えたりすることができる。つまり、「本体」と「リモコン」が「電線」で繋がれているのが最大の特徴で、これが最も簡単な「リモコン(有線式)」の原理である。 図のように、「本体」と「リモコン」と「電線」の3つのパートから構成されていることを確認してほしい。これでバッチリ!という場面も多いのだが、「電線」は長くなればなるほど重くなり、「本体」まで届くバッテリ電圧も大きく降下する。そのため、近年では「電線」の代わりに「赤外線」や「Bluetooth」や「Wi-Fi」などを使って操作信号を伝送する「無線式」のリモコンが主流となっている。


リモコンの操作概略図。一部引用:タミヤ模型リモコンブルドーザー箱絵

「無線式」のメリットは、電線に動きを拘束されないという点にある。最近のノートパソコンやスマートフォンは、当たり前のように「Bluetooth」や「Wi-Fi」が内蔵されているが、初期のノートパソコンには「モジュラージャック」というコネクタが搭載されており、インターネットに接続するにはこのジャックに電話線やLANケーブルを接続する必要があった。そのため、今のように「カフェで優雅に仕事」なんてことは気軽にできなかった。
その後、携帯電話が普及しだすと、ノートパソコンと携帯電話を有線で繋いで、電話回線を使ってインターネットに接続する方法が考え出された。現在でいうところの「テザリング」である。大雑把にいうと、パソコンと携帯電話を有線で繋ぐか無線で繋ぐかの違いで、携帯電話を使ってインターネットに接続する方法は実は古くから行われていたのだ。
過去にはインターネットに接続可能な公衆電話も存在した。今では見かけなくなったPDA(Personal Data Assistant)端末という、スマートフォンのはしりのような端末を専用ケーブルで公衆電話に接続して、メールの送受信を行うサラリーマンを見かた時代もあった。そして、たった十数年で電波や赤外線を使用した無線が主流となり、これらの「有線式」通信はほとんど見かけなくなった。
しかし、水中では今でも事情が異なっている。特に海中では電波や赤外線は減衰率が高く通信には使えない。そのため、水中での通信には音波を使用するが、これも伝送可能な容量が小さくノイズに弱いという特徴があるため、簡易的な信号や容量の小さな画像の伝送に留まっている。
近年では「光無線通信」という技術も開発され、伝送可能容量も大幅に向上したが、現時点では通信距離に課題が残っており、大容量のデータを長距離かつリアルタイムで伝送するには、ケーブル(有線)が威力を発揮する。


光無線通信を備えたROVのしくみ。
このケーブルを使って映像や観測データ、操縦信号の通信を行うのがROVである。前にお話ししたとおり、ROVは水中に潜る「ビークル」と、これを操縦する「操縦装置」を「ケーブル」で繋いで映像をリアルタイムで確認しながら操作するロボットである。つまり、「本体(ビークル)」と「リモコン(操縦装置)」が「電線(ケーブル)」で繋がれているのである。そう考えると、ROVも「リモコン戦車」に共通する部分が多いように思えてこないだろうか?

つづく