MIT CSAIL、ロボスターフィッシュ発表——海洋生物詳細研究を前進

ソフトロボット設計・シミュレーションを数時間で完了、機械学習で人間想定外の制御戦略発見

科学者たちが「ロボスターフィッシュ」を発明し、水生生物により深い洞察を得られるようになりました。MIT CSAILのアダム・コナー・サイモンズ氏が報告しています。

海洋生物記録の課題とロボット解決策

生物学者たちは長年、海洋生物記録の困難さに直面してきました。多くの魚種が人間の水中動きに非常に敏感だからです。解決策として、コンピューター科学者たちが炭素ベースの仲間（生物）に紛れてステルス移動できる特別な海洋ロボット開発を進めています。2018年、MIT CSAILチームがソフトロボットフィッシュを開発し、フィジーのサンゴ礁で本物の魚と自律遊泳に成功しました。

水中ロボット開発の難しさと新ツール

しかし水の複雑なダイナミクスと、優れた電子システムを瞬時に破壊する水の特性により、水中ロボット開発は空中・陸上用より特に困難でした。魚ロボットでも、実際に水中で確実に動作するよう手動で設計調整するのに数ヶ月要しました。

ヴォイチェフ・マトゥシック教授とダニエラ・ラス教授率いるグループは、より迅速な制作プロセスの余地を感じ、シミュレーションと機能的ソフトロボット制作を数時間で完了する新ツールを開発しました。

シリコンフォーム製スターフィッシュ、単一アクチュエーターで駆動

システムでシリコンフォーム製ソフトロボットスターフィッシュを制作。単一低出力アクチュエーターで駆動可能。4本脚の腱がサーボモーターに接続され、脚の屈伸で前進します。CSAILポスドクのジョセフィン・ヒューズ氏（共同筆頭著者、博士課程トウ・ドゥ氏と共著）は、「水中ロボットと周囲流体力（穏やかな流れやうねり）の受動的相互作用は、安定地形歩行より遥かに複雑で、制御システム作成を困難にします。しかしこのシミュレーターなら、通常数日・数週間かかるプロセスが数時間で完了します」と説明。

スターフィッシュ選定理由と汎用性

ドゥ氏によれば、スターフィッシュ設計選定理由は動きのシンプルさと優雅さ——脚の収縮と弛緩で前進するから。しかしシミュレーターは多様なボディタイプで機能し、次はウミガメ、マンタ、サメ等、関節・ヒレ・フリッパー等より複雑構造を持つデザイン探索予定です。

機械学習モデルで初期設計、実験データで最適化

グループのツールは、機械学習モデルがロボット制御機構の初期シミュレーション・設計を行い、高速制作。実験でデータ取得し、設計を繰り返し改善・最適化。結果、ロボットは通常1回の再制作のみで済みます（シミュレーションツール開発に関する別論文は査読中）。

専門家評価と成果

シンガポール国立大学制御・メカトロニクス教授セシリア・ラスキ氏（研究不参加）は、「ロボットシミュレーションでは定義上シミュレーション・現実ギャップを生む近似が必要。この研究はシミュレーション・実験の混合ループでそのギャップを縮小し、かなり効果的です」と評価。

シリコンフォーム採用理由：弾性、自然浮力、迅速・容易な制作。実験で、人間専門家が手作りしたコントローラー使用時の4倍速で水中移動可能であることが判明。ヒューズ氏によれば、シミュレーターは人間が思いつかない制御戦略を採用することも発見。「スターフィッシュロボットで、目に見える脚推進以外に、重要な運動量を与える微細な高周波動作があることを学びました。」

ソフトロボット研究の系譜と将来展望

本プロジェクトはCSAILのソフトロボット研究シリーズの延長。ラス氏によればソフトロボットは剛体ロボットより安全・頑強・高機敏の可能性。狭い空間移動が必要な環境で研究が加速——衝突からの回復力が高いため。ラスキ氏は、深海各地データ測定ロボット開発や、研究者未発想の新移動様式ロボット構想に本ツール活用可能と述べています。

「スターフィッシュロボットやSoFiのようなバイオインスパイアードロボットなら、海洋生物を攪乱せず接近可能。将来、バイオインスパイアードロボット機器を迅速設計・制作すれば、荒野に展開可能なカスタム観測所創造が可能になります」とラス氏。ドゥ氏、ヒューズ氏、マトゥシック氏、ラス氏、MIT学部生セバスチャン・ワー氏共著。論文はJournal of Robotics Automation Letters掲載、来月IEEE国際ソフトロボティクス会議（RoboSoft）でバーチャル発表予定。