ヒトデの移動から学ぶロボット設計：分散制御の教訓

Motion Design INSIDER

ヒトデの動きは何百もの小さな管足の動きを含みます。（画像：Gerald Corsi/iStock）

ヒトデは、中枢脳を持たずに複雑な環境をナビゲートするため、何百もの小さな管足の協調によって動きます。言い換えれば、各足がそれぞれ自分の意思を持っているかのようです。

USCヴィテルビ航空宇宙・機械工学科内のKanso生物模倣モーションラボにとって、ヒトデは興味深い現象です。Kansoラボは生物システムの流れ物理学を解読し、それらの洞察をロボティクス開発に応用することを専門としています。

ラボの最近の論文『Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)』「管足ダイナミクスがヒトデ移動の適応を駆動する」（2026年1月13日）は、ヒトデの動きが個々の管足からの局所フィードバックによって導かれ、各足が機械的ひずみの程度に応じて表面への接着を動的に調整することを明らかにしました。

「UCアーバインのMcHenryラボとヒトデ研究を始め、後にベルギーのモンス大学の生物学者たちと提携しました」と、Kansoラボ所長で航空宇宙・機械工学、物理学、天文学教授のEva Kansoは言います。「SYMBIOSEラボのSylvain Gabriele准教授と大学院生Amandine Deridouxとともに、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。バックパックを荷重・除荷することで、各管足が追加重量にどう反応するかを観察・測定できました。」

研究者たちは、各足が変化する荷重に独立して反応することを発見しました。「当初から、ヒトデが階層的で分散した制御戦略に依存すると仮定していました。各管足が、中枢コントローラーによって指示されるのではなく、局所的な力学的手がかりに基づいて、表面への着脱のタイミングについて局所的な決定を行うというものです」とKansoは述べています。

実験により、チームはこれらの局所反応を検証・定量化できました。「身体の力学を通じて結合されたシンプルな局所制御ルールが、いかに協調的な全身移動を生み出せるかを示す数学的モデルを開発しました。」

局所フィードバックに基づくこの適応的移動モデルは、ソフトおよびマルチコンタクトロボティクスの設計に高度に関連します。陸上、水中、さらには他の惑星での潜在的応用には、不整地、垂直、逆さまの地形をナビゲートするロボットのための分散型移動システムが含まれます——「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を妨げる環境です。

「ヒトデを逆さまにする実験も行いました——管足の形態により、ヒトデは動き続けられます」とKansoは言います。「あなたが逆立ちをしていると想像してください。あなたの神経系は即座に、重力に逆らう姿勢だと知らせます。しかしヒトデにはそのような集団的認識がありません。」

代わりに、ヒトデは各管足が重力の力を異なる形で経験するという局所的知識を備えています。足が身体に力学的にリンクされているため、協調的な動きが生まれます——一つの足が押すと、その動きが他の足に影響します。結果として、局所的な失敗がシステム全体を必ずしも停止させない——高度な堅牢性とレジリエンスを可能にします。

これは、ひっくり返ったり、荷重を失ったり増やしたり、中央通信源から切断されたりする極限環境をナビゲートする自律ロボットにとって大きな利点です。昆虫から体操選手までの速く動く動物が「中枢パターンジェネレーター」——脳幹に位置するリズミカルな運動パターンを生成する特殊な神経回路——に依存するのに対し、ゆっくり動くヒトデは環境変化に動的に適応する準備ができています。

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