昆虫サイボーグ研究 第2幕! 自動飛行制御、燃料電池の研究へ

以前に取り上げた"昆虫サイボーグ"の第一人者、佐藤裕崇 博士の研究が第2フェーズに入っている。

前回のレポート時点ですでに、電気信号による飛行の開始・停止・左右の旋回について実現していたが、現在は、「飛行ルートの自動制御」や「肢(あし)の制御」「昆虫体液を利用した発電システムの開発」に取り組んでいる。

「私が研究者のうちにすべて達成して実用に至るのは難しいかもしれないが…」と謙遜する佐藤氏だが、基礎研究に専念していた段階から、実用に向けた周辺技術の研究へと早くも対象範囲を広げている状況だ。彼は、自身の描く、災害現場で活躍する昆虫サイボーグ、レスキュー支援ツールとしての昆虫サイボーグ、に向けて急速に歩を進めている。

では、佐藤氏は具体的にどういった研究に取り組んでいるのか、本稿では氏の話を元に簡単にご紹介する。

わずか9ヶ月で昆虫制御に成功

まずは、佐藤氏のこれまでの研究についておさらいしておこう。

佐藤氏が、"昆虫サイボーグ"の研究を開始したのは2007年1月のこと。それまで早稲田大学 理工学部で応用化学を専攻していた彼だが、DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency : 米国防高等研究計画局)の「HI MEMS (Hybrid Insect Micro Electro Mechanical Systems)」プロジェクトに参加したミシガン大学電子工学科(当時 / 2008年よりカリフォルニア大学バークレー校電子工学科に移動) Michel M. Maharbiz教授の研究室に移籍。昆虫を活用したMAV(Micro Air Vehicle)の開発に取り組むことになった。

生物学の経験が一切ない佐藤氏だったが、昆虫飼育を趣味とする風習のない米国人に比べると昆虫の扱いに長けており、加入当初から研究をリードする立場に。昆虫の習性や体の仕組みを勉強しつつ、対象の昆虫の種や電極の埋め込み箇所などについて検討しながらノウハウを積み重ね、研究開始からわずか9カ月後の2007年10月には以下の動画のように昆虫を制御できるようになった。

左右の旋回は翅の筋肉を刺激して実現している。また、昆虫が明るいものに向かって飛んでいくという習性に着目し、眼の神経を刺激して飛行開始・停止を可能とした。

なお、佐藤氏は、カリフォルニア大学バークレー校から、2011年にシンガポールのNanyang Technological Universityの機械航空工学科に移籍。Assistant Professorという立場で、博士6人、修士1人、学部生9人を抱える独立した研究室を運営している。

3Dモーションキャプチャを活用して信号強度を自動調整

本稿の冒頭でも紹介したとおり、現在、佐藤氏が特に力を入れて取り組んでいる研究は大きく分けて、「飛行ルートの自動制御」「肢の制御」「昆虫体液を利用した発電システムの開発」の3つである。

これらのうち飛行ルートの自動制御とは、飛行ルートからのずれをセンサーが検知し、電気刺激となる入力信号を変化させて、ずれを自動で修正するというもの。これまでは、昆虫の位置を目視で確認しながら人間の感覚で入力信号を調整するという方法で電気刺激の効果をテストしていたが、これを飛行位置の変化量を測定しながら自動でコントロールするイメージである。専門用語で言うと、「オープンループコントロールからフィードバックコントロールに移行し、飛行の精度を向上させる」(佐藤)という内容だ。

「MAVは重量が小さいので、外部から受ける影響がとても大きいです。我々には心地よいそよ風でも、MAVにとっては大嵐で、大きく航路がずれることはもちろん、程度によっては姿勢が安定せずに墜落してしまいます。昆虫を使えば、昆虫自身が持つ制御機能により安定した姿勢で飛行を行うことができます。けれども、航路のずれは生じるため、ずれを検知して適切に昆虫を刺激してずれを補正する必要があります。レスキュー支援において、使用者がサイボーグ昆虫の行方をずっと見守るわけには行きません。自動でずれを補正して安定した航路を取り目的地に到着させる、そのための制御システムとしてフィードバックコントロールは不可欠です」(佐藤氏)

フィードバックコントロールには、ハリウッド映画などで使われる3Dモーションキャプチャシステム(俳優の動きを記録するシステム)を活用している。この計測システムで飛行位置をリアルタイムで記録し、航路のずれと入力信号の値を比較しながら、信号強度を調整して、安定した航路を取る検討をしているという。

「フィードバックコントロールはロボット工学では珍しくない技術ですが、通常のロボットに比べてサイボーグ昆虫では、昆虫自身が発する動きがエラーに加味されることが興味深い点です。また、信号が弱いと筋肉は全く反応しませんが、かと言って極端に強い信号を与えれば筋肉を傷めてしまいます。通常のロボットに比べて信号強度の適用範囲が狭く、ちょうど良い塩梅の信号をみつける必要がありますね」(佐藤氏)

MAVとしては、1年前にハーバード大学が指に乗るくらい小さな飛行ロボットを開発し、ホバリングに成功しているが、とても非力で小さな電池さえも搭載できない。そのため、信号入力のためのケーブルが必要で、無線飛行は実現していない。また横風などの外乱の影響が大きく、実用化には先が長そうである。「電池を載せても横風を受けても安定して飛行できる昆虫の能力と我々の無線システム、これらにフィードバックコントロールを加えて、長時間、長距離に渡って安定して制御可能な飛行体を実現します」と佐藤氏は語る。