Motion Hacking Elucidates Flexible Inter-leg Coordination Mechanism in Insect Locomotion

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 21H00317
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大脇 大 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40551908)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: Motion Hacking / 歩行 / 位相応答解析 / ミズクラゲ / リザバー / 昆虫 / 脚間協調 / 筋電気刺激 / 筋特性 / 個体差 / 階層ベイズモデル / 介入実験システム / 脚間強調

Outline of Research at the Start

昆虫は，環境変化のみならず自身の身体構造が変化しても移動を可能とする適応能力を有している．この能力の解明は，生物学に貢献するだけでなく昆虫にも比肩しうる能力を有するロボットの工学的実現への基盤技術となり，ソフトロボットの制御および知能化に資する．本研究では，研究代表者が開発したMotion Hacking法（昆虫自身の感覚運動機能を残存させた状態で，筋への電気刺激により，脚の運動をハッキングする方法）を用いることで，介入者の意図通りに脚の運動を制御したときの昆虫自身の神経系による脚間協調過程を観察することで，その背後に隠れた「しなやかな歩行制御戦略」を解明する．

Outline of Annual Research Achievements

目的達成のため，以下の手順で研究を進める．Step1(筋モデル):実験データから，電気刺激-筋出力特性の個体差を含む階層ベイズモデル化．Step2(身体モデル): 筋モデルと無負荷運動データから，順運動学により昆虫の身体の力学的特性を推定する．Step3(歩行モデル): 歩行中の筋刺激による脚間協調変容データから歩行制御機序を抽出する．
[令和4(2022)年度]
「歩行中の脚運動制御に基づく位相応答解析による歩行リズム調整機序のモデル化」歩行中に筋を電気刺激し歩行運動に介入した際の，脚運動の変化を定量化した．得られたデータに対して，位相応答解析を行うことで，介入脚における歩行リズム調整機序をモデル化した．具体的には，脚の運動位相を，計測した歩行周期に基づく位相振動子でモデル化し，位相応答関数を推定した．得られた位相応答関数から，電気刺激した筋特性が歩行のリズム制御に与える影響を明らかにした．
[その他の成果（A03班長：中嶋Gとの共同研究）]
昆虫の歩行時の筋への電気刺激データから，Motion Hackingによる昆虫の歩行への介入が，昆虫の歩行運動を「動物リザバー」として解析できる可能性を検証した．ミズクラゲをあらたな実験生物をして採用し，Motion Hackingによる浮遊運動の制御方策を検証した．さらに，ソフトな身体を活用するミズクラゲの浮遊をリザバーとして据えることで，その浮遊運動のメカニズムを解明することを試みた．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Bielefeld University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Bielefeld University(ドイツ)
• [Journal Article] Ground Reaction Force and Moment Estimation through EMG Sensing Using Long Short-Term Memory Network during Posture Coordination (2023)
  • Author(s): Sakamoto Sei-ichi、Hutabarat Yonatan、Owaki Dai、Hayashibe Mitsuhiro
  • Journal Title: Cyborg and Bionic Systems Volume: 4 Pages: 0016-0016
  • DOI: 10.34133/cbsystems.0016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EMG-Based Estimation of Lower Limb Joint Angles and Moments Using Long Short-Term Memory Network (2023)
  • Author(s): Truong Minh Tat Nhat、Ali Amged Elsheikh Abdelgadir、Owaki Dai、Hayashibe Mitsuhiro
  • Journal Title: Sensors Volume: 23 Issue: 6 Pages: 3331-3331
  • DOI: 10.3390/s23063331
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Versatile Legged Locomotion Emerged from TEGOTAE-bsed Control (2023)
  • Author(s): 大脇大
  • Journal Title: Journal of the Robotics Society of Japan Volume: 41 Issue: 3 Pages: 241-246
  • DOI: 10.7210/jrsj.41.241
  • ISSN: 0289-1824, 1884-7145
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Motion Hacking – <i>Understanding by Controlling Animals</i> – (2022)
  • Author(s): Owaki Dai and Duerr Volker
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 34 Issue: 2 Pages: 301-303
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p0301
  • NAID: 130007943869
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2022-04-20
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prediction of Whole-Body Velocity and Direction From Local Leg Joint Movements in Insect Walking via LSTM Neural Networks (2022)
  • Author(s): Wang Yuchen、Hayashibe Mitsuhiro、Owaki Dai
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 7 Issue: 4 Pages: 9389-9396
  • DOI: 10.1109/lra.2022.3191850
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multimodal bipedal locomotion generation with passive dynamics via deep reinforcement learning (2022)
  • Author(s): Shunsuke Koseki , Kyo Kutsuzawa , Dai Owaki , Mitsuhiro Hayashibe
  • Journal Title: Frontiers in Neurorobotics Volume: 16 Pages: 1054239-1054239
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Editorial: Biological and Robotic Inter-Limb Coordination (2022)
  • Author(s): Owaki Dai、Manoonpong Poramate、Ayali Amir
  • Journal Title: Frontiers in Robotics and AI Volume: 9 Pages: 875493-875493
  • DOI: 10.3389/frobt.2022.875493
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Survey of Sim-to-Real Transfer Techniques Applied to Reinforcement Learning for Bioinspired Robots (2021)
  • Author(s): Zhu Wei、Guo Xian、Owaki Dai、Kutsuzawa Kyo、Hayashibe Mitsuhiro
  • Journal Title: IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems Volume: 2021 Issue: 7 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1109/tnnls.2021.3112718
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Individual deformability compensation of soft hydraulic actuators through iterative learning-based neural network (2021)
  • Author(s): Sugiyama Taku、Kutsuzawa Kyo、Owaki Dai、Hayashibe Mitsuhiro
  • Journal Title: Bioinspiration & Biomimetics Volume: 16 Issue: 5 Pages: 056016-056016
  • DOI: 10.1088/1748-3190/ac1b6f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spiking Neural Network Discovers Energy-Efficient Hexapod Motion in Deep Reinforcement Learning (2021)
  • Author(s): Naya Katsumi、Kutsuzawa Kyo、Owaki Dai、Hayashibe Mitsuhiro
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 9 Pages: 150345-150354
  • DOI: 10.1109/access.2021.3126311
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Learnable Tegotae-based Feedback in CPGs with Sparce Observation Produces Efficient and Adaptive Locomotion (2023)
  • Author(s): C. Herneth
  • Organizer: IEEE ICRA 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Morphological Characteristics That Enable Stable and Efficient Walking in Hexapod Robot Driven by Reflex-based Intra-limb Coordination (2023)
  • Author(s): D. Owaki
  • Organizer: IEEE ICRA 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole Body Direction and Velocity Prediction from Leg Movements in Insect Walking Using Recurrent Neural Network (2021)
  • Author(s): Yuchen Wang
  • Organizer: MHS2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Robotic and Biological Interlimb Coordination (2021)
  • Author(s): Dai Owaki
  • Organizer: Dynamic Walking 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Dai Owaki (personal)
  • URL: http://oscillex.org/
• [Remarks] Dai Owaki (researchmap)
  • URL: https://researchmap.jp/embodiment2004/
• [Remarks] Dai Owaki (personal)
• [Remarks] Dai Owaki (researchmap)
  • URL: https://researchmap.jp/embodiment2004