2018 Fiscal Year Annual Research Report
コウモリの集団飛行に学ぶ，３次元群知能センシングの解明とその工学的応用
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18H03786
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
飛龍 志津子 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (70449510)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 賢太郎 法政大学, 生命科学部, 講師 (20528351)
小林 耕太 同志社大学, 生命医科学部, 准教授 (40512736)
藤岡 慧明 同志社大学, 研究開発推進機構, 特別研究員 (00722266)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 生物ソナー / 超音波センシング / 混信回避 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，超音波センシングを行うコウモリをモデルとして，集団飛行中の混信回避メカニズムの解明を目的としている．課題１として，実験室及び野外での集団飛行中の行動計測を実施した．実験室では最小単位である2個体での飛行から，飛行経路と音響パラメータの関係を探った．音響的に有意な変化は見られたなかったものの，個体間の飛行軌跡が似る，または同一の軌跡を追尾飛行するという新たな傾向が見られた．また動物の代わりにラウドスピーカによるプレイバック実験を実施したところ，混信回避行動としてコウモリが行う超音波の終端周波数の調整が極めて速い反応として起こること，またその反応は超音波放射タイミングの前後10msの時間窓において励起される可能性が示唆された．また野外で集団飛行するコウモリの3次元軌跡をステレオビジョンを用いて計測するシステムを構築し，洞窟から集団で出巣する場面について個体間距離や方位，速度など詳細な分析を行った．課題２としては，開発中であった神経活動の多チャンネル計測が可能なロガーの試作品が完成し，予備実験を行った．コウモリの代わりに砂ネズミを用いて，発声音声と蝸牛マイクロフォン電位の同時計測が可能であること，またアブラコウモリを用いて下丘に置いた表面電極から，他個体の超音波音声に同期した神経活動由来の生体信号が計測され，試作ロガーが使用可能であることが確認できた．課題３としては，企業と共同で開発中の広帯域空中超音波デバイスを自律走行車に搭載し，障害物回避などの課題を通じてその性能を評価した．その結果，コウモリの超音波運用を導入した際，定位性能や障害物回避走行の完走率が上昇することを確認した．また2台の自律走行車の同時走行を試験的に行い，コウモリが採餌場面で行うパッシブセンシングとアクティブセンシングの組み合わせ動作を取り入れたところ，2台同時の完走率が上昇することがわかった．
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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
課題１である実験室での集団飛行実験では，飛行と音響の関係を探るために2個体まで個体数を減らして実験を実施した．想定していた超音波の終端周波数のシフトが見られず，混信状況が十分でない可能性も考えられたが，ペア同士の飛行軌跡が時間遅れで極めて近似するなど，他個体の音声またはエコーを利用しているような可能性が新たに見出された．今後は，自身のエコーのみならず，他個体の超音波やそのエコーを積極的に利用している可能性などを仮説に，実験を進めていく予定である．また複数飛行での軌跡の特徴をもとに，数理モデルの構築を行い，現在論文投稿の準備中である．さらにコウモリの発声タイミングをトリガとして任意の遅延時間を与えた音声を提示するプレイバックシステムの構築に成功し，複数個体を使う実験では実現できない緻密な混信状況の制御が可能となった．このシステムは今後，心理実験やまたその際の神経活動の記録などの実験にも展開していく．野外での集団飛行のステレオビジョンによる動態計測では，課題であった座標計測の誤差が収束し，安定的に3次元経路が計測できるようになった．一方でその後の画像解析についてはまだ手動に依存していることから，深層学習を使った画像解析も検討していく．熱音響変換素子を用いた広帯域超音波センサの開発を企業と共同で進める中で，そのセンシングの運用に関する2件の特許出願を行った．自律走行車への搭載が可能となり，現在相互相関処理をリアルタイムに実施するシステムの構築を引き続き企業と共同で進めている．相互相関によってエコーのSNが向上すること，また定位性能の向上などを確認済みである．
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| Strategy for Future Research Activity |
室内については，飛行個体を増やし，超音波周波数のシフトに関してさらに詳細な検討を行う予定である．他個体の音声の利用の可能性について，実験により検証を進める．また撮影や画像解析についても改善を図る．実験対象にFM型及びCF-FM型のコウモリ種を用いて，混信回避に関する種間比較も行う．周波数のみならずタイミングなどのパラメータも考慮して，分析を進める．コウモリをモデルとした集団飛行の数理モデルについても，論文を完成させ投稿を行う．野外については，映像で算出した3次元軌跡情報をもとに，マイクロフォンアレイで計測した音声から，個体毎の音声を分離する手法を検討していく．また飛行実験と並行して，他個体との音声の聞き分けの手がかりが何か，心理学的手法を用いた実験（Y字を用いた弁別課題実験）によって探る．具体的には，自分の超音波をリアルタイムにプレイバック呈示し，その際に周波数などのパラメーターと正答率との関係を見る．またコウモリを用いて，自由運動下における蝸牛マイクロフォン電位の計測を試みることで，聴覚抹消においてどのような音声フィルタがあるのか，調査していく．さらに工学的検証についてはこれまでの自律走行車から，3次元飛行のドローンを用いた実験へと展開していく．自律走行車に搭載していた障害物回避モデルをドローンに搭載し，障害物回避動作を確認しながら，ノイズ対策などを進めていく．自律走行車を用いた実験は，相互相関処理を２ｃｈ化に改良し，広帯域の特性を利用したより空間分解能の高いセンシングシステムを実現していく．
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