AeroVeloのオプティマイザが、33年間破られなかった人力ヘリコプター賞に挑むためにAtlasを設計した

2013年6月13日、Atlas——巨大で滑稽な見た目のペダル駆動装置——が空中に浮かび上がり、歴史を作った。33年間にわたり数多くの設計者を打ち負かしてきたシコルスキー人力ヘリコプター競技会で優勝したのである。課題は、10メートル四方の範囲から外れずに、少なくとも1分間、3メートルの高さでホバリングすることだった。「ほんの数週間前まで、ヘリコプターの本を文字通り書いた人々は、この問題は難しすぎる——実際には物理的に不可能だと言っていた」と主任構造エンジニアのキャメロン・ロバートソンは述べた。

AeroVeloの強みは、正しい枠を選んだことだった。他のチームはこう考えた。「我々はキャンパスにいるのだから、この機体を製作しテストするのに最大の体育館を見つけよう」——そして体育館の大きさを設計上の制約にしてしまった。その制約は人為的なものだったので、彼らはそれを取り除き、トロント近郊の巨大な屋内サッカースタジアムでテストした。体育館から解放された設計は、純粋な大きさに依拠した。直径10メートルのローターが4基——「Atlasは他のすべての人力ヘリコプターを合わせたほどの大きさだ」とロバートソンは述べた。チームは「ルーブ・ゴールドバーグ的な機械を造ることを恐れなかった」——ただ一つのこと、すなわち賞を勝ち取るために作られた機体だった。

残りは体系的なモデリングだった。ロバートソン、主任空気力学者のトッド・ライヒェルト、そしてチームは数か月をかけて「構造、空気力学、エンジン熱力学、パイロットの生理学、運動学、これらすべての異なる設計上の考慮事項」をデジタルでモデル化し、その後、完璧な忠実度ではなく「十分に良い」許容範囲のセットで可能な設計を反復するオプティマイザをプログラムした。「あとは実行を押せば、ヘリコプターを設計してくれる」とロバートソンは述べた。「ラップトップで実行するのに5分しかかからない」。

人為的な制約を取り除く——手持ちの最大の体育館ではなく、サッカースタジアムでテストする——物理をモデル化し、ソフトウェアのオプティマイザにヘリコプターそのものを設計させる

他の全員が受け入れていた人為的な制約を取り除いた。すなわち、競合する設計を制限していたのは物理ではなく、テスト会場の大きさだった。

オプティマイザは設計を直感から探索へと変えた。5分間の計算が、33年間の専門家による反復がなし得なかったものを生み出した。

チームの非専門性が助けになった。自らを非専門家と称する彼らは、ヘリコプター設計者が所与のものとしてきた前提に疑問を投げかけた。

勝利には非実用的な機械を受け入れることが必要だった。4基の巨大なローターは、この賞以外の何の役にも立たない。

「不可能」とはしばしば、誰かが人為的な制約を仕様に紛れ込ませたことを意味する。本当の制約を見つけ、それをモデル化し、直感ではなく体系的な探索に答えを設計させるのだ。

ロバートソンはこの手法を、より動きの遅い分野にも応用できるものとして位置づけた。「我々には、インフラを再評価し、気候変動に対処し、あるいは他の不可能な問題に取り組むための50年はない。2%の改善を得ることはもはや正しい答えとして受け入れられない」と彼は述べた。チームは、現状に疑問を投げかけ人為的な制約を取り除くという同じ心の状態に身を置くことで、誰でもより優れた問題解決者になれると主張した。