宇宙でロボットが構造物を自動組み立て、CaltechとDARPAが成功発表：巨大宇宙施設の建設へ第一歩

ロケットの先端部には、打ち上げ時に搭載物を保護する「ペイロードフェアリング」と呼ばれる覆いがある。その内部空間の直径は、大型ロケットでも一般に4〜5メートル程度に限られる。天文学者が求める巨大な宇宙望遠鏡の主鏡や高利得の通信アンテナ、将来の宇宙太陽光発電衛星に必要な大型構造物は、そのままの形では打ち上げられない。従来は主に、地上で組み立てた構造物を折りたたんで打ち上げ、軌道上で展開する方式か、国際宇宙ステーション（ISS）のように複数回に分けて運んだモジュールを宇宙飛行士が船外活動で接続する方式が採られてきた。

しかし、展開方式ではヒンジや駆動機構が複雑になるほど故障のリスクが高まり、宇宙飛行士による組み立てには安全確保や運用コストの面で限界がある。構造物の大きさが数十メートルから数百メートルへと拡大すれば、こうした制約は一層深刻になる。その解決策として、ロボットが軌道上で部材を組み立て、必要な大きさまで構造物を拡張する技術が長年研究されてきた。

カリフォルニア工科大学（Caltech）と米国防高等研究計画局（DARPA）は2026年11月5日、宇宙実証機「ASTRA（Autonomous In-Space Tensioned Reflector Assembly）」が地球低軌道で、宇宙飛行士の支援を受けずに構造物を自動組み立てすることに成功したと発表した。両機関は、宇宙空間で構造物を自律的に組み立てた初めての事例だと位置づけている。

ただし、今回の成果は、宇宙空間でアンテナを完成させて運用を開始したことでも、原材料から部材を製造する宇宙工場が稼働したことでもない。実際には、地上で組み立てられた2つのトラス区画を基礎として、宇宙機に搭載された供給装置から部材を取り出し、新たに1区画を組み立てて接続した。あらかじめ製造された部品を宇宙空間で組み合わせ、構造物を拡張する基本的な工程を実証したことが、今回の成果の核心である。

軌道上で実際に組み上がったものと未完成のアンテナ

ASTRAプロジェクトが当初目指していたのは、外径1.4メートルの円形メッシュ反射鏡アンテナを軌道上で完成させることだった。構造物は、炭素繊維複合材の管状部材（ストラット）、アルミニウム製の接合部材（ジョイント）、ポリイミドフィルムの一種であるカプトン（Kapton）を用いた多孔反射膜などで構成される。外周の環状トラスが内側の膜を張力によって支え、所定のパラボラ形状を維持する設計である。

しかし、2026年11月の発表時点で軌道上での組み立てに成功したのは、計画されていた全11区画のうち、新たに追加する3番目の1区画にとどまる。実証機には、地上であらかじめ組み立てられた2つのトラス区画が格納されており、軌道投入後に拘束を解除して機体の外側へ押し出した。その後、ロボット機構が供給装置から部材を取り出し、3番目の区画を組み立てて既存の構造に接続した。つまり、11区画すべてを宇宙空間でゼロから組み立てたわけではなく、地上製作の2区画に新たな1区画を追加したのが実証の具体的な内容である。

Caltechによると、軌道上で作業できる時間が限られていたため、組み立てられたのはアンテナの初期部分だけだった。2026年12月に予定されるミッション終了までに、残りの区画を追加して全11区画の環状トラスを完成させることは難しいとの見通しも示している。完成形の反射鏡が得られていないため、アンテナとしての送受信性能や利得、反射面の形状精度などについても、実証結果は報告されていない。

今回確認されたのは、宇宙環境でロボット機構が個々の部材を把持し、所定の位置に配置して接合することで、トラス構造を拡張できるという機械的な成立性である。これは大型構造物の軌道上建設に向けた重要な要素技術だが、完成したアンテナの性能を実証したものではない。

データを表で見る

	区画数 (区画数 (ベイ))
地上先行製作	2
軌道上新規組立	1
未組立区画	8
設計目標全数	11

軌道上で新たに組み上がったのは、目標の11区画のうち1区画である。完成形のアンテナには至らなかったものの、地上で製造した部材を宇宙空間で順次接合し、既存のトラスに新たな区画を追加する工程が実際の軌道環境で機能したことには意義がある。今後、同じ工程を繰り返して大型構造物を完成させられるかが、技術の実用性を左右する。

ガントリーロボットの構造と「自律」が内包する地上支援

ASTRAが採用したのは、人間型ロボットや複雑な多関節アームではない。DARPAの発表資料によると、実証機には互いに直交する3つの直線軸に沿って動作するガントリー機構（門型マニピュレーター）が搭載されている。未知の環境を探索する汎用ロボットではなく、あらかじめ決められた組み立て作業を正確に繰り返すことを目的とした、産業用自動機械に近い設計である。

計画されていた組み立て工程では、まずモーター駆動のディスペンサーから、マニピュレーターが炭素繊維複合材のストラットとアルミニウム製ジョイントを取り出す。これらを内部の組み立てプレート上で位置決めしながら接続し、トラスの1区画（ベイ）を形成する。続いて、ネット状の多孔フィルムを取り付け、完成した区画を組み立てプレートによって外側へ押し出すことで、次の区画を組み立てる空間を確保する。こうした工程を順次繰り返し、最終的に11区画からなる環状フレームを完成させる構想だった。

開発段階	試験対象と環境	確認された成果	実証されていない事項
2025年の地上開発（先行論文）	直径1.4m、12ベイのモジュラー試作機。地上重力下での手動組み立て試験と単軸自動治具	プレート傾斜角を72度とする設計などにより、部材の干渉を回避し、組み立てとケーブルの破断防止を定性的に確認	微小重力、熱サイクル、真空環境での挙動、組み立ての統計的な再現性、寸法公差
2026年の軌道実証（ASTRA）	約1立方メートルのペイロード。Vigoride 7に搭載し、地球低軌道で直交3軸ガントリーを運用	地上製作の2ベイを展開した後、軌道上で第3ベイを新たに組み立て	全11ベイの完成、反射鏡全体の形状精度、アンテナの電波・光学的性能、長期耐久性
NOM4Dの長期目標（構想）	数百メートルからキロメートル規模の構造物。軌道上での製造・組み立て施設	概念設計と小規模な要素技術の開発・実証が進行	原材料からの部材製造、超大型構造物の変形制御、無人での自律的な障害復旧

反射鏡面に用いる材料にも工夫がある。従来の展開型アンテナでは、金属線を編み込んだメッシュが広く使われてきたが、折り目や変形を抑えるために比較的大きな初期張力（プレストレス）が必要だった。その張力を支えるには頑丈な外周フレームが求められ、構造物全体の重量が増える要因となる。そこでCaltechの研究チームは、ペンシルベニア大学のIgor Bargatin教授らと共同で、軽量なカプトンフィルムに微細な孔を設けた多孔フィルム構造を考案した。

この設計では、向かい合う2枚のケーブルネットをスプリングを介して引っ張り合わせ、反射鏡面の形状を維持する。従来の金属メッシュより小さなプレストレスで済むため、それを支えるトラスの軽量化が期待できる。ただし、今回の軌道実証では、従来構造と比較した具体的な重量削減率や、完成した反射鏡の形状精度、電気的性能を示す定量的なデータは公表されていない。

もう一つ注意すべきなのが、プロジェクトで使われている「自律（autonomous）」という言葉の意味である。ASTRAは宇宙飛行士による直接作業を必要とせず、あらかじめ設定した組み立て動作をロボット機構によって実行した。しかし、ロボットが想定外の問題を自ら判断し、対処方法を考えて作業を完了したわけではない。実際の運用には、地上チームによる継続的な監視と遠隔からの介入が欠かせなかった。

地上のエンジニアは宇宙機にコマンド列を送信し、実行結果を衛星から届く静止画像で確認した。予期しない問題が起きると、地上で原因を調べ、作業手順やパラメータを修正してから再び指示を送る必要があった。その際には、Caltechの実験室に保管された、飛行実証機と同じ構成の予備機（フライトスペア）が活用された。公表資料には、個々の動作に必要だった再試行回数やコマンド修正回数、地上からの介入頻度を示す数値は含まれていない。

したがって、ASTRAの自律性は、あらかじめ決められた組み立て動作を宇宙空間で自動実行できるという範囲で評価する必要がある。予期せぬ不具合を検出し、原因を判断して復旧するまでをロボットが単独で担う、完全な自律運用が実証されたわけではない。

地上実験で明らかになった幾何学的干渉と張力制御の難しさ

ASTRAの軌道上組み立てが慎重な運用を必要とした背景には、トラスと張力膜を一体化する構造特有の難しさがある。その課題は、Caltechの研究チームが2025年1月の米国航空宇宙学会（AIAA）の年次会議「SciTech 2025」で発表した技術論文にも詳しく記されている。Jaden Suh、S. Dassanayake、S. Pellegrinoによるこの論文（DOI: 10.2514/6.2025-0410）は、軌道投入前に実施した試作と地上実験の結果をまとめたものだ。

トラスの骨組みを組み立てるだけであれば、主な課題は部材同士の幾何学的な干渉を避け、正しい位置で接合することにある。しかし、ASTRAでは、完成時に一定の張力がかかる薄いネット状の反射鏡面も、トラスと同時に組み込む必要がある。組み立て途中の構造は完成時ほど安定しておらず、張力によって部材が想定外の方向へ動いたり、局所的な変形が生じたりする。このため、単純に部品を順番につなぎ合わせるだけでは、安定した組み立てを保証できない。

研究チームは地上で、外径1.4メートル、12区画のモジュラー試作機を使った手動組み立て試験を実施した。その結果、組み立て途中のトラスとケーブルネットが複雑に変形し、部材同士が干渉する現象が複数確認された。円形の構造物を形成するためには、各区画を支持する組み立てプレートに適切な傾斜角を設ける必要がある。初期の90度配置では組み立てが成立せず、研究チームは30度、40度、50度などの条件を比較検討した。解析上は限界となる傾斜角が30度と求められたが、実際の組み立てでは角度の調整だけで解決できない問題が発生した。

確認された問題の一つは、支持プレートの隙間に部材が挟まって動かなくなる「プレートジャミング」である。また、反射鏡面を保持するケーブルの一部に過大な張力が集中し、組み立て完了前に破断する現象も見られた。このほか、未完成のトラスが外側へ折れ曲がる「アウトワードキンキング」や、隣接する区画が歪んだ状態で動かなくなる幾何学的なロックも観察されている。これらはいずれも、トラスの形状変化とケーブルの張力が相互に影響することで生じる問題である。

こうした課題に対処するため、自動組み立てを目指した地上の機能検証機では、駆動機構や部材供給装置との位置関係を考慮して、組み立てプレートの傾斜角を72度に再設計した。さらに、部材同士の干渉を避けるよう作業順序を見直し、スプリングによって変形を吸収する仕組みを導入した。その結果、特定の条件下で部材を組み立て、張力ケーブルの破断を防げることが定性的に確認された。

ただし、2025年の論文が示しているのは、地上実験における組み立て機構の成立性である。同一の工程を何回実行し、そのうち何回成功したのかという統計的なデータや、完成したトラスの寸法公差、測定誤差を示すエラーバーは掲載されていない。つまり、適切な治具と手順を用いれば構造物を組み立てられることは確認されたものの、宇宙環境での信頼性や繰り返し動作の安定性が保証されたわけではなかった。

なお、今回の軌道上実証で発生した予期せぬ問題を、地上試験で確認されたプレートジャミングやケーブルの張力異常と同一視することはできない。宇宙空間には、微小重力下での振動、日照と日陰の切り替わりに伴う急激な温度変化、高真空中での金属接触など、地上の実験室とは異なる環境要因が存在する。これらが組み立て動作に影響する可能性はあるが、CaltechとDARPAは軌道上で発生した個々の不具合について、原因や発生メカニズムを具体的に公表していない。そのため、どの問題が地上試験から予測できたもので、どの問題が宇宙環境特有の現象だったのかは、現時点では判断できない。

1日約2時間の通信機会と地上フライトスペアによる試行錯誤

ASTRAの宇宙実証機は2026年3月30日、カリフォルニア州のヴァンデンバーグ宇宙軍基地から打ち上げられた。SpaceXのライドシェアミッション「Transporter-16」に相乗りし、Momentusが運用する軌道上輸送機「Vigoride 7」に搭載された10個のペイロードの一つとして地球低軌道へ向かった。ASTRAのペイロード容積は約1立方メートルで、限られた空間にロボット機構や部材供給装置などが収められていた。Vigoride 7はホスト宇宙機として、ASTRAに電力、通信インターフェース、外観撮影用カメラ、熱制御などの機能を提供した。

軌道上での運用が始まると、地上チームは通信時間の厳しい制約に直面した。低軌道を周回するVigoride 7と地上局が直接通信できる機会は、1日あたり約15分間の通信ウィンドウが7〜8回訪れる程度だった。つまり、地上から機体の状態を確認し、新たな指示を送れる時間は、合計しても1日約2時間に限られていた。

この断続的な通信環境では、地上からの遠隔操作とトラブル対応に時間がかかる。マニピュレーターが部材を把持して移動させ、ジョイントを接合する動作を実行するたびに、エンジニアは宇宙機から送られてくる静止画像を確認し、部品が正しく配置されたかを判断する必要があった。位置のずれや動作の異常が疑われる場合には作業を中断し、地上で対応策を検討してから新たな指示を送る。常時接続されたロボットをリアルタイムで操作するのとは異なり、一連の作業を通信ウィンドウごとに進めなければならなかった。

こうした運用を支えたのが、Caltechの実験室に保管されていたフライトスペアである。プロジェクトを率いるSergio Pellegrino教授の研究室には、軌道上の実証機と同じ構成を持つ地上試験機が用意されていた。宇宙空間で問題が起きると、エンジニアはこの予備機を使って状況を再現し、機構の動作手順やモーターの駆動条件、マニピュレーターの移動経路などを調整した。地上で修正した動作を検証した後、次の通信ウィンドウで宇宙機へ指示を送り、結果を確認するという作業を繰り返した。

フライトスペアを使った検証は、限られた通信機会の中でトラブルを解決するための実用的な手段だった。ただし、科学実験における厳密な意味での対照実験とは異なる。地上には重力と大気が存在し、温度環境も制御されているため、軌道上で起きた現象を完全に再現できるわけではない。フライトスペアは、宇宙環境の影響を直接検証する装置というより、修正した動作手順が機械的に成立するかを事前に確かめるための試験機として機能した。

開発期間の短さも、このプロジェクトの特徴である。Caltechによると、複雑なペイロードの設計、製造、地上試験を完了し、Momentusへ納入するまでに要した期間は12か月足らずだった。一方、DARPAは軌道上実証の構想から打ち上げまでを約15か月と説明している。両者は起点と終点が異なる期間を示しており、短期間で開発から打ち上げまで進められたことがわかる。

限られた開発期間と通信環境の中で、実際にトラス1区画の軌道上組み立てに成功したことは、工学的に意味のある成果だ。ただし、公表資料には、各接合部に加わった力やトルクの計測値、完成した区画の寸法精度、組み立て動作の成功率、測定誤差といった定量的なデータが示されていない。今回の成果を判断する主な根拠は、軌道上で撮影された画像、地上の運用記録、CaltechとDARPAによる公式発表である。このため、組み立てが成功したという事実と、実用的な信頼性や精度が確認されたという評価は、明確に区別する必要がある。

NOM4D構想の全容と「キロメートル規模」の宇宙建設までに残る課題

ASTRAの成果を評価するには、その開発を支援してきたDARPAの「NOM4D（Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design）」プログラムの目的を理解する必要がある。

2022年に始まったNOM4Dは、宇宙構造物を地上で製造し、折りたたんで打ち上げるという従来の考え方を根本から見直すプログラムだ。ロケットの打ち上げ時には、構造物に激しい音響振動や数Gに達する加速度が加わる。そのため、地上で完成させた宇宙構造物には、宇宙空間での運用には必ずしも必要のない補強部材を設け、打ち上げ時の荷重に耐えられるよう設計しなければならない。こうした補強は構造物の重量を増やし、打ち上げ可能な規模や質量効率を制約する要因となってきた。

NOM4Dが目指すのは、地球から原材料を効率よく輸送し、軌道上や月面で部材そのものを製造して組み立てる方式である。金属ペレットや樹脂、連続繊維などを原材料として持ち込み、宇宙空間で必要な形状に加工すれば、地上から完成品を運ぶ場合の制約を軽減できる。打ち上げ時の荷重に耐えるための補強も減らせるため、微小重力環境を利用した軽量で大規模な構造物の建設につながる可能性がある。

NOM4DのプログラムマネージャーであるAndrew Detor氏は、最終的に数百メートルからキロメートル規模の宇宙構造物を目指すと説明している。比較対象となるISSは、最大寸法が約109メートルに達する巨大な人工構造物だが、その建設には数十回の打ち上げと10年以上の歳月、多くの宇宙飛行士による船外活動が必要だった。NOM4Dは、こうした大型構造物を将来的に宇宙空間で製造・組み立てするための技術基盤を築こうとしている。

ただし、ASTRAが今回達成した成果と、NOM4Dの長期目標との間には、依然として大きな技術的隔たりがある。

第一に、ASTRAは軌道上で部材を「製造」したわけではない。組み立てに使われたストラットやジョイントは、地上であらかじめ加工・製造され、宇宙機の供給装置に格納されていた部品である。ロボットが行ったのは、それらを取り出して所定の位置に配置し、接合する作業だった。原材料から複合材チューブを成形したり、金属粉末を焼結して部品を製造したりする工程は含まれていない。

第二に、構造物の規模が大きく異なる。ASTRAが目指した直径1.4メートルのアンテナは、既存の小型ロケットのフェアリングにも収まる大きさであり、NOM4Dが想定する数百メートルからキロメートル規模の構造物とは桁違いだ。小型の試作機で組み立て機構が機能したとしても、同じ方式を数十メートル以上に拡大したときに十分な精度と安定性を維持できるとは限らない。

大型構造物では、温度変化による膨張・収縮や微小な振動が全体の変形につながり、局所的な組み立て誤差が蓄積する可能性もある。反射鏡やアンテナでは、こうした変形が最終的な性能に直接影響する。ASTRAの区画を順次追加する方式は、構造物を段階的に拡張することを想定しているが、規模を大きくした場合の変形制御や寸法精度は、まだ実験的に検証されていない。

第三に、軌道上での部材製造と組み立てを一体化する技術が確立されていない。NOM4Dの第3フェーズでは、ASTRAのほかに、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校が主導するプロジェクトも小規模な宇宙実証の対象に選ばれている。こちらはISSの船外実験設備を利用し、宇宙環境で炭素繊維複合材チューブを硬化・成形する熱硬化プロセスを試す計画だ。

この実験は、ASTRAが取り組んだ機械的な組み立てとは異なり、宇宙空間で材料を加工して部材を製造する工程を対象としている。両者は同じNOM4Dプログラムに属するものの、互いの成果を再現・検証する実験ではない。現段階では、材料の製造と構造物の組み立てという異なる要素技術を、それぞれ独立して実証している。原材料から部材を製造し、それを自動的に組み立てて大規模な構造物を完成させる、一貫した軌道上建設システムには至っていない。

CaltechとDARPAは、将来の応用先として、巨大な電波望遠鏡や光学望遠鏡の主鏡、遠距離通信用アンテナ、宇宙太陽光発電用の大型ソーラーパネル、軌道上燃料貯蔵施設、有人居住モジュールなどを挙げている。いずれも地上から完成品を打ち上げることが難しい構造物であり、軌道上で製造・組み立てができれば設計の自由度が広がる可能性がある。ただし、これらは将来の応用構想であって、ASTRAが今回の実証で建設能力や機能を確認したものではない。

Pellegrino教授によると、Caltechの研究チームは今回の運用から得られた教訓をもとに、組み立て機構をさらに簡素化し、改良する方針だ。今後は、部材の供給や位置決めで発生する不具合を減らし、想定外の問題が起きても地上からの介入なしに復旧できる仕組みが重要になる。1区画の組み立てに成功した段階から、11区画すべてを安定して組み立て、必要な寸法精度と構造強度を満たす段階へ進めるかが問われる。

今回のASTRA実証は、宇宙空間での大型構造物建設に向け、ロボットによる部材の自動組み立てが実際に機能することを示した。一方で、地上チームの支援に頼らない運用、反復作業の信頼性、完成構造物の精度と性能については、なお検証が必要である。今後の開発で重要になるのは、今回発生した不具合とその対処方法を体系的に分析し、地上の介入を減らしながら組み立てを継続できるシステムへ改良できるかどうかだ。宇宙空間で1区画を組み立てた成果を、数百メートル規模の構造物を自律的に建設する技術へと発展させられるか。 その実現可能性を判断するには、さらなる軌道上実証と定量的な性能評価が欠かせない。