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ペットボトルロボからゾウリムシロボまで、研究者がロボティクスを解説! |
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● 未来の乗用車をコンセプトにしたビッグコックローチロボット!? 9月13日から15日の3日間、千葉工業大学の津田沼キャンパスにおいて、第25回日本ロボット学会学術講演会が開催された。「ロボット研究と実用化」をメインテーマに、多様化したロボット工学関連の研究者が一堂に会し、最新の研究成果を公表した。ここでは一般公開セッション「ロボティクス若手ネットワーク・オープンセミナー」～「君と共に、ロボティクスが拓く未来」の模様をレポートする。本セミナーでは、未来のロボット研究者を目指す中高生や、一般人に分かりやすくロボティクスを啓蒙することを目的に、4人の研究者が登場。ユニークな研究成果や、ロボットに対する考え方、日々の研究生活などを披露した。実行委員会の大武美保子準教授は「このセミナーは、ロボット学会の若い研究者や学生が集まって今回初めて開催されたもの。ロボットの実演を含めて、未来型のロボット、珍しいロボット、明日作れるロボット、人を助けるロボットを柱に紹介する」と、冒頭で挨拶した。
たとえば、古田氏が最近開発したロボットに「Halluc II」がある【写真1】。これは「未来の乗用車」をコンセプトに開発された多関節移動ロボットで、この8月に日本科学未来館で導入されたばかりだ。Halluc IIを製作した目的について、「人に使われて役に立つロボットの一環としてロボットを作った。クルマは平坦な道路でしか走れない。木を切って道路を作るのではなく、技術が環境に歩み寄ってくれるエコな乗り物を作りたかった」と古田氏は語る。 Halluc IIは、前後にレーザー式センサが装備されており、270度の範囲で障害物を検出する。また、13個の距離センサやカメラも搭載している。脚は8脚あり、それぞれの脚に付いたモータ(合計56個)で駆動する。駆動には脚・車輪ハイブリッド方式を採用しており、平地・荒地など状況に合わせて形態を「ビークル」「インセクト」「アニマル」というモードに変化させて動作できるという大きな特徴がある【写真2】【写真3】【写真4】【動画1】【動画2】。 本セミナーでは、それぞれの変形モードでデモンストレーションが行なわれた。今回、ロボットの操作については、PCからHalluc IIをコマンドラインで直接入力していたが、テレイグジスタンスの技術にも対応している。実際に日本科学未来館では、子供たちに先端技術を体感してもらうためにHalluc IIが常設展示されており、そこで半球型スクリーンと3軸デバイスを備えた没入型コックピット「Hull」【写真5】によって、このロボットに搭載されたカメラ映像を見ながら直感的に遠隔操縦することが可能だ。このコックピットシステムでデータを収集し、誰でも使えるコックピットの実用化を目指しているという。
また、古田氏は国が推進するロボット戦略のシナリオなどについても俯瞰した。経済産業省が進めてきた次世代ロボットの実用化プロジェクト、共通基盤開発プロジェクトや知能化技術開発プロジェクトなどに参画し、ロボットの普及に尽力している【写真6】。また国土交通省や東京都と共同で、街や生活と連動するロボット環境を作りだす次世代インフラの構築に向け、ユビキタス社会の実験を始めている。 たとえば、銀座4丁目の交差点や地上・地下エリアでは、電波や赤外線によって情報を送れるようなマーカーを設置し、さまざまな街情報とロボットを連動させようとしているところだ【写真7】。周辺の地図データをロボットやビークルが取得し、自己位置の補正や経路生成をする。あるいは顔認証技術によって、リアルタイムに人の顔を抽出して、ビークルに乗る人を認証したり【写真8】、年齢や性別を判別するシステム【写真9】への布石を打とうと考えている。 古田氏はロボットの未来について「技術の向こう側に未来がある。やはりロボット技術を皆に使ってもらうためには、人間の文化に目を向けロボットを実用化することが大切」とし、セミナーを終えた。
● ゾウリムシをロボットに! ミクロの世界で微細な作業をこなす微生物ロボット
現在、微細な作業を行なうロボットには、マイクロマシンやMEMS技術を利用した研究がある。しかし、どちらかというと個々の要素技術の研究にとどまっている状況だ。そこで尾川氏は、天然のマイクロロボットとして微生物を利用することを考えた【写真11】。 微生物をロボットに使うメリットは、現在の微細技術では難しい高性能なセンサやアクチュエータを自身で兼ね備えている点や、電源供給が不要な点(代わりにエサが必要になる)、バイオ分野での応用が利く点、コストが掛からず自己増殖してくれる点などがある。具体的には、扱いやすく、反応性の良いゾウリムシによって、ミクロの世界で物体の搬送や操作をしたり(歯車をまわしたり、部品を組み立てるなど)、センサとして状況把握などをサポートできるようなロボット利用を目指しているそうだ【写真12】。 では、ゾウリムシの行動を思い通りに制御するには一体どのようにすればよいのだろうか? 何もしなければゾウリムシは各々勝手な動きをしてしまう。ところがゾウリムシなどの微生物は、外部から電界を加えると、陰極に向かって泳ぐという「電気走性」があり、電界をうまくコントロールすれば、その動きを制御することが可能だ【写真13】。この原理を利用し、尾川氏は電極の間にゾウリムシを入れて、2次元あるいは3次元的に一定領域でゾウリムシを閉じ込めたり、物体を運ばせるといった研究を進めている【写真14】【写真15】【動画3】【動画4】。
とはいえ、微小なゾウリムシを制御するには、高度なノウハウが必要だ。顕微鏡でゾウリムシの行動を追っても、その動きが速く、焦点がぼやけたり、視界から外れて、観測できなくなってしまうことが多い。そのため、尾川氏は1,000分の1秒という高速撮影が可能なビジョンシステムを採用し、この問題を解決したという。 ゾウリムシを水平方向でトラッキングして、常に視界の中心に対象がくるようにXYステージを動かす【写真16】。また垂直方向についても、焦点面の上下によって変化する明暗パターンからトラッキングすることで、正確にゾウリムシの姿を捉える工夫がなされている【写真17】。このように3次元でのトラッキングを行なうことで、ゾウリムシの挙動を正確に捕捉し、その行動を制御することが可能になった【動画5】。 また、ゾウリムシのような微生物が刺激を受けると、その細胞内のイオン濃度が変化することが知られている。そこで、イオン濃度に応じて光を発する薬品を利用して、その光を高速ビジョンで計測すれば、ゾウリムシが壁などの障害物にぶつかった時にタッチセンサとして使うことも可能になる【写真18】。 最後に尾川氏は、「微生物ロボットはまだ基礎研究の段階であり、すぐに実用化するわけではない。しかし、ロボティクスを突き詰めていくと、いずれはバイオ分野の研究に突きあたるはず。ロボティクスが生物から学べることはたくさんあるため、これからロボットを学ぶ人は、生物にも興味を持ってもらえると嬉しい」と述べた。今後は研究対象をゾウリムシだけなく、他の微生物にも広げ、さらに従来のマイクロマシンやMEMS技術との協調、コンピュータと生物を融合する基礎技術、微生物を利用した新たな超小型センサ・アクチュエータの開発なども取り組んでいきたいという。
● ペットボトルを利用した、安価で創造的なロボット教育
松下氏が研究しているロボット教材は、従来よりも身近かつ手軽で安価ながら、身体構造も含めて創意工夫できるものだ。モータなどの駆動源がなく、斜面を歩行する「受動歩行機」などのメカニズムにみられるように、ロボット製作において知能を理解する上で身体的特徴は切り離せない要素になっている(この考え方は「身体性人工知能」と呼ばれる)【写真20】。そこで、「情報処理や制御技術の体験だけではなく、試行錯誤で機構設計ができるロボットシステム全体の開発が必要だ」(松下氏)という。 ところが、実際にロボットを設計・製作するためには、旋盤などの工作機械を扱うことになるため、技術的な敷居も高くなってしまう。松下氏は、ロボットの身体を簡単に製作するために、材料としてペットボトルを選んだ。最大のポイントは、グルーガンによって、ペットボトルにRCサーボモータを接着して、関節構造を作る方法を採用したこと【写真21】。グルーガンはスティック状の樹脂を溶かして接着する道具で、熱で溶けた樹脂が冷めれば固着するため、短時間での作業が可能だ。 材料にペットボトルを選択した理由は、壊れにくく、取り付け取り外しが簡単な点、さらにボトルに水を入れることで重さを自由に変更できる点だ。つまり、形状や重量分布が簡単かつ自由に変更することが可能であるため、試行錯誤をしやくすく、創作活動にも有効に働くというわけだ。これにより、ペットボトルを利用したロボットアームや2脚歩行、4脚歩行などのロボットを、さまざまなアイデアを凝らして簡単に製作できるようになったという【写真22】。
一方、松下氏は制御系の学習でも、いろいろな動作パターンを容易に作り出せる仕組みや、身体性人工知能、サイボーグ技術などの興味深いテクノロジーを取り入れることで、科学の面白さを伝える創造的な教育を実践している。たとえば、「センサリモータ技術」「生体信号」「直接教示(ティーチング・プレイバック)」による制御応用例がある。 センサリモータ技術では、サーボモータや光センサを使い、ワンチップマイコン(H8/3664)によって、プログラミングを学ぶことが可能だ。もしプログラミングができなくても、サンプルプログラムのパラメータを書き変えることで、動作を簡単に変更できるようになっている【写真23】【写真24】【動画6】【動画7】。ロボットの身体的な構造を工夫すれば、モータの数を減らせ、そのぶん要求される情報処理量を減らすことも可能になる。 特に興味深かったのは、2番目のサイボーグ技術を取り入れた提案だ。これは生体信号と呼ばれる、いわゆる微弱な表面筋電位を利用したロボットで、古くから筋電義手などの研究で用いられているもの【写真25】【動画8】。最近では筑波大学の山海教授が開発したロボットスーツ「HAL」が、とても注目を集めている。従来このような筋電を利用するためには、高価な筋電位センサや増幅器が必要であった。 そこで松下氏は、これらの装置を自作で作ってしまうことで、コストを3,000円程度に抑えることに成功したという【写真26】。信号の増幅器は市販のオペアンプを利用して製作できるそうだ。信号となる交流波(表面筋電位)を絶対値でフィルタリングして、さらにLPF(ローパスフィルタ)で波形を円滑化する。そして、この計測電位に比例するようにモータを動かしてやるという仕組み。筋肉を動かすと、その強さに比例してロボットが動作するようになる【写真27】【写真28】【動画9】。このような面白いテーマを、誰でも比較的簡単にできる点は、教育的にとても意味があるのではないだろうか。
最後の提案は直接教示(ティーチング・プレイバック)による制御で、従来から産業用ロボットなどで使われている手法の1つ。プログラムの知識がなくても直感的にロボットの動作パターンを設定して、短時間でロボット教育を実現できるメリットがある【写真29】【動画10】。こちらはポテンショメータを利用し、手動で設定した関節の回転を検出、その電圧を記憶して動作を再現するもの。自分の思い通りにロボットが動作するようになるまで、何度でも設定を繰り返せる。 松下氏は、このようなロボットを教育カリキュラムとして組んで、大学生や院生の授業に取り入れている【写真30】。身体構造の製作から始まって、電子回路の工作、制御系の学習、移動距離や階段の昇降などを競うコンテストまでを実施【写真31】【写真32】。すべての内容を詳細に指導すると約45時間ほど掛かるというが、電子回路に完成品を使えば、授業時間を8時間から最短で2時間程度までに短縮することも可能だ。本授業によりグループ活動での協調性や、創造性、創作意欲も高まったそうだ。 松下氏は「今後は、このようなロボット教育を発展させ、さらに新技術の発明まで挑戦していきたい」と抱負を語り、その1例として筋電を利用した「ロボティック眼鏡」について紹介した。これは、顔の動きで発生する筋電をセンサで捉え、レンズの開閉を行なう自動眼鏡。小さな文字を見るときに目を細めると自動的にレンズがセットされる仕組みだ【写真33】【動画11】。このような教育を通じて「ものづくりの知識と経験」を蓄積することで、ユニークなアイデアが広がり、あっと言うような発明が生まれるかもしれない。
● 人に役立つ福祉医療RTの実例
福祉医療RTは、産業用ロボットのように人と隔離された工場の中で利用されるものではなく、高齢者や体の不自由な人たちの傍らで用いられる。そのため特に安全面や巧みな作業を支援する人間共存テクノロジーが重要になる。「人とロボットの共存、人への影響を考えた新しい関係性をイメージすることが大切だ」(岩田氏)という。 岩田氏は1995年に同大学の菅野研を見学して感動し、人と触れ合えるような次世代機械の知能化の研究を始めた。これまでに岩田氏が携わってきた研究としては、人間共存型ロボット「WENDY」や、バイオフィードバックを利用した歩行リハビリ支援システム、触れ合い認知技術などがある【写真35】【写真36】。 WENDYは、世界で初めて両ハンドで卵割に成功したロボットとして知られている。従来のハンドは指先が硬く、物を点接触で把持していた。人が物をつかむ状態を観察すると、同一の把持力でも触れる位置や角度によって接触面積が変わり、指先の圧力をうまく調整していることが分かる。そこで、人の手の機能や形態・構造を模倣することで、微妙かつ安定した把持するロボットハンドが実現できるようになったという【写真37】【写真38】。また、WENDYは安全性についても考慮されている。人がロボットの双腕に同時接触したり、背後からぶっかっても怪我をしないようにセンシングが工夫されている【写真39】【動画12】。
一方、歩行リハビリ支援システムは、筋電によるバイオフィードバックを利用している【写真40】【動画13】。たとえば、正常な足底の圧力をフィードバックすることで、麻痺側の体に刺激を与えるようなシステムを開発し、左右に掛かる荷重のバランスを改善させる立位実験も行なっている。脳卒中で半身が麻痺すると、無意識のうちに麻痺側の足裏にかける力が小さくなってしまい、正常な足裏側に重心が移動し、体のバランスを崩してしまう傾向がある。そこで麻痺した側の足の着き方を正常側の体に呈示することで、等しい足圧で左右のバランスがうまく取れるように気づかせることができる。 岩田氏は、役に立つロボットを想像・創造するには、「まずストーリーをうまく作ることが大事。どのような課題があり、それを解決することで誰が喜ぶのか、しっかりとイメージを絵にして他人と共有する。そして、そのイメージを実現するために必要となる機能を多角的に検討する。それが終わったら、ひたすら製作に没頭する。最後にユーザーに使ってもらって、改善ポイントを洗い出す」というプロセスを踏む必要があると強調した。
本セミナーでは、中高生や一般の人たちに興味を抱いてもらえるような刺激的なロボットの紹介がなされ、セミナー終了後の交流会でもたくさんの質問が飛び交っていた。ぜひ来年も同様のセミナーを開催して欲しいと感じた。 ■URL 日本ロボット学会 http://www.rsj.or.jp/ 第25回日本ロボット学会学術講演会 http://www.robotics.it-chiba.ac.jp/RSJ2007/ ■ 関連記事 ・ fuRoとL.E.D.、多関節ロボット用没入型コックピット「Hull」を未来館に導入 ～一般体験可能、多自由度ロボットの直感的操縦を目指す（2007/08/01） ・ fuRoとL.E.D.、8本の脚・車輪を持った移動ロボット「Halluc II」を発表（2007/07/26）
（ 井上猛雄 ）
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