2018 Fiscal Year Annual Research Report
Learning Active Olfactory Sensing Method from Crayfish: Individual Differences within the Species and Diversity among Crustaceans
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17J07494
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
石田 華子 東京農工大学, 大学院生物システム応用科学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 甲殻類生物 / 嗅覚探索行動 / 噴流 / 数値流体力学 / 化学センシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、水中で環境汚染物質など化学物質の発生源を探索するロボットの実現を目指す。化学物質源を探索する最適戦略は、環境により異なる。そこで、様々な環境に生息する甲殻類生物が匂いを頼りに餌を探す行動に着目する。ザリガニは自ら生成した噴流を利用して周囲から匂いを引き寄せ、餌を探索すると言われている。小型インク放出装置を開発してザリガニの頭胸甲に取り付け、歩行中のザリガニが作る噴流を可視化し、複数の方向から観察して噴流の放出方向とタイミングを解析する。ザリガニが見せた行動を、ザリガニをモデル化した装置で模擬し、化学物質源を短時間で探索できる戦略を求める。同様の解析を他の甲殻類生物に対しても行い、様々な生息環境における探索戦略を調査する。
今年度も、ザリガニが噴流を生成した際に周囲から流体が引き寄せられる様子をモデル化し、数値流体力学シミュレーションにより解析する研究を継続した。噴流の放出方向を変えると、引き寄せられてくる流体の方向だけでなく流速も変化する。メッシュの生成方法など計算条件を全体的に改良し、定性的な流れ場だけでなく、流速の値も実験と一致する計算結果が得られるようになった。
また、自由に歩行するザリガニが作る噴流を可視化するために、ザリガニの背中に取り付けても歩行を妨げない大きさのインク放出装置を開発した。さらに、この装置に無線充電用コイルを搭載し、シリコーンゴムで覆って防水加工を施した後も繰り返し充電できるように改良した。この装置を実際にザリガニの頭胸甲に載せ、水槽を囲む5方向からビデオカメラで撮影し、行動観察実験を行った。可視化された噴流の方向を、目視によって大まかに分類して記録した結果、ザリガニが適応的に噴流の三次元的な方向を変えていることが示唆された。可視化された噴流を画像から抽出し、噴流の始点と終点を選択して、角度を算出する解析プログラムも開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、（1）噴流の周囲に形成される流れ場の数値流体力学シミュレーションと、（2）自由に歩いているザリガニの行動を制限せずに噴流を可視化する手法の開発に取り組み、ザリガニの嗅覚探索戦略の有用性を示す。どちらの課題においても今年度の目標を概ね達成した。
昨年度までに、噴流を左右の真横や後方45度に放出した際に形成される流れ場を数値流体力学シミュレーションによって求め、匂いの引き寄せ効果を比較した。このシミュレーションでは、噴流によって引き寄せられてくる流体の方向が計算できていた。しかし、噴流の放出方向を変えると、引き寄せられてくる流体の方向だけでなく流速も変化する。今年度はメッシュの生成方法など計算条件を全体的に改良し、定性的な流れ場だけでなく、定量的な流速も再現できるシミュレーション条件を求めることができた。
また、自由に歩行するザリガニが作る噴流を可視化するために、ザリガニの背中に取り付けても歩行を妨げない大きさのインク放出装置を開発した。さらに、この装置に無線充電用コイルを搭載し、シリコーンゴムで覆って防水加工を施した後も繰り返し充電できるように改良した。この結果、装置を実際にザリガニの頭胸甲に載せ、行動観察実験を行うことが可能になった。実験では、市販のザリガニの餌をすり潰し、水に溶かして濾過し、餌の匂いを付加した溶液を作製した。この匂い溶液を食紅で着色し、水槽の中央から放出して匂い源とした。ザリガニが噴流を放出しながら匂い源を探索する様子を、水槽を囲むように設置したビデオカメラで記録する。可視化された噴流の方向を、目視によって大まかに分類して記録した結果、ザリガニが適応的に噴流の三次元的な方向を変えている様子を初めて観察することができた。さらに、実験結果を分析するために可視化された噴流を画像から抽出する解析プログラムや、噴流の角度を算出するプログラムも開発した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は、ザリガニをモデル化した噴流生成装置を製作し、探索戦略を再現することを目指す。まず、平成30年度に行った行動観察実験中に、ザリガニが特徴的な行動を示した時間帯を選択する。開発した解析プログラムを用いて噴流の放出方向を解析し、結果を統計的に評価する。そして、数値流体力学シミュレーションの結果と合わせて考察し、化学物質の引き寄せ効果を調査する。この結果を元に、噴流生成装置で放出する噴流の方向や移動速度などの設計指針を得る。ザリガニの形状を正確に再現した噴流生成装置を製作するため、ザリガニの抜け殻をスキャンして3Dプリンタで出力し、噴流生成機構を組み込んでロボットアームに取り付ける。噴流を生成して引き寄せた化学物質を電気化学センサで検出しながら移動し、化学物質の放出源を探索する。このようにして実験を行い、ザリガニの行動観察から得た指針が噴流生成装置設計に有効であることを示す。
また、本研究は日本学術振興会若手研究者海外挑戦プログラムに採択された。噴流生成装置の開発と並行して、英国・ハル大学のThomas Breithaupt博士の下で行動観察実験を行う。ハル大学では、ロブスターなどザリガニ以外の甲殻類生物も飼育している。開発したインク放出装置を複数台製作して、実験動画解析システムと共にハル大学に持ち込む。そして、生息環境の異なる甲殻類生物の探索戦略を調査する。本研究によって得られる知見は、様々な環境に合わせて探索戦略を切り替えられる水中ロボットの開発に役立つと期待される。
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Research Products
(4 results)
