| 研究領域 | サイバー・フィジカル空間を融合した階層的生物ナビゲーション |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05301
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅳ)
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
牧野 泰才 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00518714)
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| 研究分担者 |
高坂 洋史 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20431900)
増田 祐一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任研究員 (20856231)
藤原 正浩 南山大学, 理工学部, 講師 (30825592)
野田 聡人 高知工科大学, システム工学群, 准教授 (60713386)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
108,160千円 (直接経費: 83,200千円、間接経費: 24,960千円)
2025年度: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2024年度: 19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円)
2023年度: 19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円)
2022年度: 20,800千円 (直接経費: 16,000千円、間接経費: 4,800千円)
2021年度: 30,550千円 (直接経費: 23,500千円、間接経費: 7,050千円)
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| キーワード | 超音波フェーズドアレイ / 遠隔給電 / ショウジョウバエ / 無線給電 / 盲導犬訓練 / 空中超音波 / 行動介入 / バイオロギング / 盲導犬 / バーチャルリアリティ / 二次元通信 / ワイヤレス給電 / 行動予測 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究課題では，(1)刺激前に動物に気づかれない介入プラットフォームの実現として，(1-a)空中超音波による不可視遠隔介入と，(1-b)二次元通信による行動観察プラットフォームの2つの基礎技術の研究を行う．前者では特にショウジョウバエ幼虫を対象に，超音波刺激がどのように知覚されているかを観察しながら検証を行う．これら2つの技術は，領域全体を横断的に繋ぐ，環境配置型の計測・介入のための基盤技術として利用されることを想定している．2つめの課題として，(2)ヒトと動物の間の相互介入の理解と応用を目標に，熟達した盲導犬訓練士と初心者との間で，ヒトの指示動作が誘起する犬の行動の違いを解析する．
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では，生物の行動観察研究における新しい介入手段として，1）超音波を利用した遠隔力提示，2）電磁場を利用した計測とセンサ端末への遠隔給電，3）人と動物の骨格情報を利用した動作の定量化，などを発展させ，実際に動物実験においてその有用性を検証することを目的としている．
1) 遠隔力提示では，ショウジョウバエやアリ，トンボなど複数種の昆虫に対して異なる介入を行い，その有用性を明らかにした．特にショウジョウバエ幼虫の観察においては，画像処理により空間内の特定の位置に局所的に瞬時に圧力場を形成し，ショウジョウバエ幼虫集団をさまざまな形状の領域内に閉じ込め，その中で展開する行動遷移および個体間相互作用を低侵襲的に解析する手法の確立に成功した．また，このような目的に対して，軽量物体を超音波で外部駆動する方法を実現した．音場の形成においては，多様体上最適化による複数焦点形成のアルゴリズムの開発も行った．
2) 電磁場を利用した介入では，実験室環境内でのアリの行動追跡のためのRFIDシステムにおいて，従来手法ではアリの通過イベントの15%程度が検出できなかった課題に取り組んだ．通路となるチューブのある断面において，あらゆるタグの姿勢にロバストに読み取り可能となる直交3コイル読み取りアンテナを開発した．遠隔給電では，オオミズナギドリの背中に搭載したセンサ端末へ人工巣箱から遠隔給電を行い給電可能なことを確かめた．
3）骨格情報を利用した動作の定量化では，盲導犬訓練を対象とし，熟練訓練士と初学訓練士の訓練の様子を複数カメラで計測し，人と犬の骨格情報を3次元的に復元して，その訓練の正しさを定量的に評価した．距離や角度を用い，熟練訓練士と初学訓練士の間に評価値で差が生じることを明らかにした．映像で計測できない力情報についてハンドルに力センサを搭載し，同様に両者の訓練で差があることも示した．
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究課題では，超音波や電磁波技術を利用してそれを動物観察研究の基盤的なツールとして活用することを目的としている．
超音波については，それ自体を刺激として利用する方法と，超音波により軽量物体に干渉して動物観察研究に利用する方法のそれぞれを実際の昆虫で実施しており，いくつか結果が得られている．前者の例として，ショウジョウバエ幼虫については，任意形状の領域に長時間滞留させられることが示された．後者の例としては，アリやトンボの疑似餌の制御に応用し介入が実現されている．また，この目的として，複数フェーズドアレイの姿勢キャリブレーション手法や，音場形成のためのアルゴリズムについての研究も進んでいる．介入の手段として，軽量物体を外部から駆動する方法を開発し，これまで実現されていなかった超音波長よりも十分大きな対象の安定浮揚や，音響透過スクリーン上でのカードの多様な制御を実現できており，超音波フェーズドアレイ応用の観点で大きな進展が得られている．
電磁波応用の観点では，安定したRFID読み込みのための実験環境に即したアンテナの開発や，オオミズナギドリのロガーへの遠隔給電を実現する遠隔給電人工巣箱の開発を行っており，十分な成果が得られている．これに伴って開発された小型マイコンシステムを活用し，局所的な磁場を制御する介入手法の軽量化，低消費電力化や，データロガーに新たな介入の仕組みを搭載するなどの活用も実装している．
盲導犬訓練においては，これまでは限られたデータを利用して安定に骨格を抽出する点を検証していた．本年度は実際にそれを活用して，複数の訓練士のデータから比較可能な定量データを取得し，熟練訓練士と初学訓練士との間に，定量的に差があることを明らかにできている．
以上のように，基盤的なツールとして見たときに，当初計画よりも幅広い対象に実際に適用できており，計画以上の進展が得られている．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の方策として，それぞれ具体的な方向性を記載する．
超音波については，多様な介入が可能であることを活用し，例えばショウジョウバエの移動範囲の拘束について，複数コロニーを作った場合の行動観察などを行う．これにより，近縁種の幼虫の行動解析から，種多様性・種間認識を担う動物行動のダイナミクスとその神経回路機構を明らかにすることを目指す．超音波の音場生成における多様体上最適化による複数焦点形成のアルゴリズムの開発については，計算効率がよく焦点位置の動的な移動に適した手法である利点を活かし，提案法に基づいた制御による生物追従とその活用を行う．カードの制御などの軽量物体の外部駆動では，自由に並進回転するステージとしてカードを利用し，アリなどの昆虫の行動観察への応用を目指す．また，形状に依存しない安定浮揚の方法なども検討する．
電磁波応用については，アリの行動計測のための安定読み取り可能なアンテナを発展させ，従来技術で実現していなかった通過方向の特定や，二次元面内の検出に向けた技術開発を目指す．オオミズナギドリの人工巣箱については，実際の島環境での無人計測を実現できるよう，より実際的な安全対策などに配慮し開発を行う．局所磁場制御システムでは，ウミガメなど実際の動物に装着し，局所的な磁場変化が移動行動にどう影響するかを検証する．
盲導犬訓練の定量化では，日本盲導犬協会の協力のもと，実際の訓練施設に計測用のカメラを定常的に設置し，複数の訓練士と複数の犬の組み合わせで訓練の様子を計測し，昨年度までに得られた熟練訓練士と初学訓練士の間の結果の差異が，訓練士のスキルレベルに起因するものなのか，盲導犬の種や月齢などによる影響がどの程度あるのか，あるいは訓練により成長していく様子が定量的に評価できるかなどを明らかにする．またこれを活用し，VRによる追体験可能な訓練の記録とその活用を目指す．
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