ハーバード大学のロボット魚は、知的に協力し、集団で「泳ぎ」、サイエンス誌の表紙に登場しました。

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サイエンス社の子会社である今月のサイエンス・ロボティクス誌の表紙は、大きな目をしたかわいいロボット魚の群れが目立っている。

これは、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院とワイス生物学的触発工学研究所の科学者チームによる最新の研究結果です。

このロボット魚は、外部からの制御なしに、本物の魚の群れのように同期して動くことができます。

水中バイオニックロボットの群知能

2021年1月13日、関連する結果が「魚に着想を得たロボット群における3D水中集団行動の暗黙的調整」という論文タイトルで、Science Roboticsに正式に掲載されました。

論文のタイトルが示唆するように、ハーバード大学の科学者によるこの成果は主に魚の群れからヒントを得たものである。

自然界では、魚の群れは餌を探したり、回遊したり、捕食者を避けたりするのに役立つ複雑で同期した行動を示す傾向があります。彼らの魔法は、行動を調整するための「リーダー魚」を必要とせず、魚同士のコミュニケーションもないことです。彼らの集団行動は、周囲の仲間の行動に基づいて魚が決定を下す、いわゆる「暗黙の調整」メカニズムから生まれます。

ハーバード大学によると：

こうした分散型で自律的な組織と調整は、長い間、科学者、特にロボット工学の分野の専門家を魅了してきました。

実際、北京大学工学部の謝光明教授などの中国の研究者も、水中バイオニックロボットに関する同様の研究を行っています。彼の意見では、バイオニックロボットの研究は、個々のロボットの研究開発だけでなく、グループ技術の研究開発にも焦点を当てる必要がある。

2018年のCCF-GAIRグローバル人工知能・ロボットサミットで、謝光明教授は次のように述べました。

魚の自律的な調整は、楽しみや娯楽のためではなく、資源が限られた厳しい環境で生き残るという唯一の目的のためです。コンピュータサイエンス専攻の学生の多くは、粒子群最適化アルゴリズムについて知っているかもしれません。生物界では、集団アプローチを通じて個体群全体を存続させる行動は、研究に値する問題であり、つまり群知能です。群知能は、人工知能の非常に重要な研究分野でもあります。

研究者たちは、群知能をアニメーションで説明し、2次元モデルを形成し、さらにそれを3次元モデルに拡張しました。これに基づいて、ロボット魚も同様のグループ特性を持つことができ、当時、謝光明教授のチームは3匹の魚を使用して自律的な調整を実現していました。

3D視覚認識

ハーバード大学の研究に戻ると、彼らは開発した水中ロボットをブルーボットと呼び、彼らが結成したグループはブルースウォーム（7つのブルーボット）でした。

Bluebot は、自律的な 3D マルチフィン モーションと 3D 視覚認識を組み合わせたものであると理解されています。具体的な設計は次のとおりです。

• ほぼ全方向の視野 (FOV) をカバーする 2 台のカメラ。

• 4 つのひれは、カスタム電磁駆動装置によって駆動されます。尾びれと 2 つの胸びれは、ほぼ独立して前進および回転することができ、背びれは垂直潜水深度の制御に影響します。

• 相互識別用の3つのLEDライト。

上図の下段に示すように、研究者らは、隣接するブルーボットの 2 つの背面 LED とその潜在的な表面反射が画像に表示されるようにカメラを設定し、画像をすばやく処理しました。異なる Bluebot の 2 つの LED は異なる色でコード化されており、白いアウトラインがあります。アウトライン マークがなく同じ色である場合は、2 つの Bluebot が互いに反射していることを意味します。

この水中視覚調整システムにより、Bluebot はカメラを通じて最大 5 メートル離れた隣接する Bluebot の LED 信号を検出し、カスタム アルゴリズムを通じてそれらの相対位置、距離などの情報を抽出して、ローカルな意思決定を実現し、視覚同期、分散/集約、動的円形成、集団検索などの自己組織化動作を促進します。

論文では、ハーバード大学のチームが、4つの主な基準を使用して、Blueswarm を複数の研究チームの群ロボットと比較しました。

• 適用シナリオ（水、陸、空）

• 介入（介入なし、場所、計算）

• 調整（暗黙的、明示的、間接的、非調整的）

• 構造（均質、不均質）

結果は、Blueswarm がいかなる助けにも頼らず、ほとんどの群ロボットよりも自律的であることを示しており、分散型の自己組織化群ロボットの研究を 2 次元空間から 3 次元空間へと押し進めています。

上記の業績に基づき、ハーバード大学はこの成果を次のように説明しています。

暗黙的な調整を伴う複雑な 3 次元集団行動が、水中ロボットで初めて実証されました。 （研究者らが水中ロボットにおいて暗黙的な協調を伴う複雑な3D集団行動を実証したのはこれが初めてである。）

博士課程の学生であり、この論文の筆頭著者であるフロリアン・ベルリンガー氏も次のように述べた。

ロボットは人間がアクセスできない場所や危険な場所に配備されることが多いため、人間による介入は現実的ではありません。これは、自給自足型で高度に自律的な群ロボットがあれば本当に恩恵を受けられる状況です。暗黙的な調整と 3D 視覚認識を通じて、水中で GPS や WiFi などのデバイスを使用する際の課題を克服するシステムを作成しました。

研究チームは、この研究が科学者が水中環境（サンゴ礁など）の監視と探索に主に使用される超小型水中群ロボットの開発を継続的に探求するのに役立つと考えています。

今後、水中ロボットがどのように発展していくのか、注目していきたい。