クモヒトデに学んだ「即座に」適応可能な移動ロボット

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東北大学
科学技術振興機構(JST)
北海道大学

クモヒトデに学んだ、想定外の故障に「即座に」適応可能な移動ロボット
~シンプルな数式でクモヒトデの複雑な動きを表現~

東北大学 電気通信研究所の石黒 章夫(イシグロ アキオ) 教授、加納 剛史(カノウ タケシ) 准教授、佐藤 英毅(サトウ エイキ) 氏(大学院修士課程、当時)、小野 達也(オノ タツヤ) 氏(大学院修士課程、当時)、北海道大学 電子科学研究所の青沼 仁志(アオヌマ ヒトシ) 准教授、東北大学 大学院医学系研究科の松坂 義哉(マツザカ ヨシヤ) 講師(現 東北医科薬科大学 教授)の研究グループは、想定外の故障に対して即座に適応できる移動ロボットの開発に世界で初めて成功しました。

移動ロボットが未知の実世界環境下で動き回るためには、ロボットの一部が故障してもリアルタイムに適応し、移動能力を維持することが不可欠です。しかしながら、従来のロボットは想定外の故障に適応するのに数十秒〜数分もの時間を要していました。この問題解決のため本研究では、原初的な棘皮(きょくひ)動物注1)であるクモヒトデに着目しました。クモヒトデには「脳」のような高度な情報処理を担う中枢神経系はなく、放射神経と呼ばれる単純な神経系しかないにもかかわらず、5本の柔軟な腕を適切に協調させて推進することが可能です。さらには、外敵に襲われるなどして腕を失った際(自ら腕を切断することもあります)、残った腕が何本であろうともそれらを即座に協調させて推進し続けることができます。このようにクモヒトデは、驚異的な耐故障性を有しています。

本研究では、腕を除去あるいは短くしたクモヒトデの観察結果をもとに、「各腕が環境から進行方向側に反力を受けたときにのみ地面を蹴る」という、極めてシンプルな数式で記述される自律分散制御則を設計しました。そして、この制御則をクモヒトデ型ロボットに実装したところ、腕をいかように破壊しても数秒以内に適応して動き続けることができました。

この成果は、想定外の事象に対処可能な適応能力の高いロボットを実現するための基盤技術を提供し、災害現場などの過酷な環境下でも機能できる移動ロボットの実現へと道を切り拓くと期待されます。また、動物が身体の一部に傷害を負ったときに、身体の協調の仕方を適切に変えて動く原理の解明にもつながると期待できます。

本研究成果は、日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(A)24246074(研究代表者:石黒 章夫)日本学術振興会 学術研究助成基金助成金 基盤研究(B)16KT0099(研究代表者:加納 剛史)東北大学学際科学フロンティア研究所 領域創成研究(研究代表者:加納 剛史)の一環で行われました。

本研究成果は、2017年12月13日(日本時間17時00分)に英国の科学誌「Royal Society Open Science」電子版に掲載されます。

本研究成果は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業(CREST)「現代の数理科学と連携するモデリング手法の構築」研究領域の研究課題「環境を友とする制御法の創成」(研究代表者: 小林 亮)JPMJCR14D5(主たる共同研究者:石黒 章夫、青沼 仁志)の一環で行われました。

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