感動的なロボット設計:ヒトデの移動から得た教訓

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ヒトデの動きには、何百もの小さな管フィートの動きが含まれます。 (画像:ジェラルド・コルシ/iStock)

ヒトデは、中枢脳がないにもかかわらず、複雑な環境をナビゲートするために何百もの小さな管の足を調整することを必要とする生き物です。言い換えれば、あたかも各足が独自の心を持っているかのようです。

USC ビタビ航空宇宙機械工学部内に拠点を置く Kanso Bioinspired Motion Lab にとって、ヒトデは興味深い現象を引き起こします。 Kanso Lab は、生体システムの流れ物理学の解読を専門とし、多くの場合、ロボット工学の開発に情報を提供するためにそれらの洞察を適用します。

米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に掲載された研究室の最近の論文 、「管足のダイナミクスがヒトデの移動における適応を促進する」（2026 年 1 月 13 日）は、ヒトデの動きが個々の管足からの局所的なフィードバックによって指示され、それぞれの管足がさまざまな程度の機械的ひずみに応じて表面への付着を動的に調整していることを明らかにしています。

「私たちはカリフォルニア大学アーバイン校のマクヘンリー研究室でヒトデの研究を開始し、その後ベルギーのモンス大学の生物学者と提携しました」とカンソ研究室所長で航空宇宙工学、機械工学、物理学、天文学の教授であるエヴァ・カンソ氏は語った。 「SYMBIOSE Lab のシルヴァン・ガブリエル准教授と大学院生のアマンディーヌ・デリドゥーと一緒に、私たちはヒトデ用の特別な 3D プリント「バックパック」を設計しました。バックパックに荷物を積み下ろしたり降ろしたりすることで、追加された重量に対して各チューブの足がどのように反応するかを観察し、測定することができました。」

研究者らは、負荷の変化に対して各足が独立して反応することを発見しました。 「私たちは当初から、ヒトデは階層的かつ分散型の制御戦略に依存しているという仮説を立てていました。この戦略では、各チューブの足が、中央制御装置の指示ではなく、ローカルな機械的合図に基づいて、いつ水面に取り付けたり、切り離したりするかをローカルに決定します」と Kanso 氏は述べています。

この実験により、チームはこれらの局所的な反応をテストし、定量化することができました。 「私たちは、身体の仕組みを介して結合された単純な局所制御ルールが、どのようにして動物全体の協調的な移動を生み出すことができるかを示す数学的モデルを開発しました。」

ローカル フィードバックに基づいた適応動作のこのモデルは、ソフトおよび多接触ロボットの設計に非常に関連しています。陸上、水中、さらには他の惑星での応用の可能性としては、でこぼこ、垂直、逆さまの地形を移動するロボットのための分散型移動システムが挙げられます。これは、中央の「ミッションコントロール」や人間の意思決定者からの一貫した通信が妨げられる環境です。

「私たちはヒトデを逆さまにする実験も行いました。管の足の形態によりヒトデは動き続けることができます」とカンソ教授は語った。 「あなたが逆立ちをしていると想像してみてください。あなたの神経系は、自分が重力に逆らった位置にいることをすぐに知らせます。しかし、ヒトデにはそのような集団認識はありません。」

その代わりに、ヒトデには、重力を異なる方法で経験する各管足の局所的な知識が備わっています。調整された動きは、足が体に機械的にリンクされているという事実によるものです。片方の足を押すと、その動きが他の足に影響を与えます。その結果、局所的な障害によって必ずしもシステム全体が停止するわけではなく、高度な堅牢性と復元力が実現されます。

これは、反転したり、荷重を失ったり、負荷が増加したり、中央の通信ソースから切断されたりする可能性がある極限環境を移動する自律ロボットにとって、大きな利点となります。動きの速い動物（昆虫から体操選手まで）は「中枢パターン発生器」（リズミカルな運動パターンを生成する脳幹にある特殊な神経回路）に依存していますが、動きの遅いヒトデは環境の変化に動的に適応するよう準備されています。

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