2023 Fiscal Year Research-status Report
Constructive understanding of the gait transition in quadrupedal animals at the sensory-motor function level in the spinal cord using a robot
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23K11272
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
木村 浩 京都工芸繊維大学, その他部局等, 教授 (40192562)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | gait transition / spinal cord model / sensorimotor functions / upper center command / rhythm generator / pattern formation / output motor stage / spatiotemporal pattern |
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| Outline of Annual Research Achievements |
除脳ネコを用いたロコモーション実験により，四脚動物のリズム（周波数とデューティ比），脚間位相差，着地・離地時の脚先位置などの指標で表される歩容は，主に脊髄にある神経回路により生成されると信じられている．本研究は一般的に考えられている自己発振・神経回路ではなく，脊髄・感覚運動機能が胴体の自励振動を誘発することでリズムを生成しているとの仮説をたて，まず最初に力学シミュレーションにより，脊髄ネコのトレッドミル上後2脚ロコモーションの再現を試みる．構成した脊髄・神経回路モデルはリズム発生器（RG），パターン形成器（PF），運動出力器（OMS）から構成される．移動速度上昇時にRG間には興奮性相互作用が働く．さらにベルト駆動ロコモーションでは，PFは計測される脚先速度から脚の運動をベルト速度に適応させ，跳躍からの着地時にOMSにおいてキック反射が発生する．胴体を持つ後2脚ロボット・モデルを構成しシミュレーションした結果，脊髄ネコと同様にベルト速度上昇時に，逆位相歩行，逆位相走行，同位相走行が順次現れ，リズムと左右脚間位相差が自律的かつ同時的に創発した．
次に床面上での後2脚ロボットの自己推進をシミュレーションした．ここで，上位中枢が直接指令すべきはリズムと脚間位相差ではなく，推進力すなわち移動速度である（Orlovsky et a. 1999）．指令強度の増加に伴いPFは，脚先速度上昇により推進力を発生し，胴体ピッチ運動安定化のために上方キックを増強する．結果として，トレッドミル上ベルト駆動ロコモーションと同様な移動速度上昇に伴うリズムと左右脚間位相差の自律遷移が，床面上自己推進ロコモーションでも創発した．
結果として，RGにとってベルト駆動ロコモーションと自己推進ロコモーションに違いはなく，RGは常に現在の移動速度に対して適切なリズムと脚間位相差を生成できることが示された．
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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
後2脚ロボットを用いた力学シミュレーションにより，リズム発生器（RG）にとってベルト駆動ロコモーションと自己推進ロコモーションに違いはなく，RGは常に現在の移動速度に対して適切なリズムと脚間位相差を感覚情報を用いて生成できること，すなわち，RGは上位指令から独立していることが示された．これは従来の神経生理学やそれに基づくニューロ・メカニクス研究の常識を覆す重要な知見であると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
4脚ロボット・モデルの床面上自己推進ロコモーションにおいて，上位指令による移動速度上昇に伴う，歩行時のpaceからwalkを経てtrotへの自律遷移，および，走行時のtrotからboundへの自律遷移をシミュレーションする．そのためには，左右脚間協調だけではなく前後脚間協調について，深く考える必要がある．その際に，除脳ネコの前後スプリットベルト・トレッドミル上ロコモーション実験（Pearson et al. 2006）で得られた知見等を参考にする．
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| Causes of Carryover |
当初予定にあった自由ベルト・トレッドミルの製作は次年度に持ち越された．
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Research Products
(2 results)
