渡り鳥の群れの大域的な制御機構

• 研究課題/領域番号: 19K12150
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分61040:ソフトコンピューティング関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 早川 美徳 東北大学, データ駆動科学・AI教育研究センター, 教授 (20218556)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 群れ / 渡り鳥 / 飛行隊形 / string instability / 集団動力学 / 編隊飛行 / 制御 / トラッキング / 因果律 / ステレオカメラ / 動態 / 計測

研究開始時の研究の概要

ツルやガンの編隊飛行のリーダーを先頭の個体と考えるのはほとんど自明のように思われる一方で、実測データからそれを示した例はない。群れの先頭の入れ替わりのメカニズムや、距離の離れた個体や後方の個体の挙動が群れ全体に及ぼす影響について定量な知見を得るため、ステレオ動画像解析等の手法によって、加速度、羽ばたきの位相等の複数の特徴量の時系列を取得する。大型の群れについて、運動の大域的な多様性と複雑性に着目しつつ、群れ構造がどのような相互作用と情報の流れによって統御されているのか、リーダー・フォロワー関係や因果性についての動力学的および情報論的な解析を通じ、その機序を明らかにする。

研究成果の概要

宮城県の渡り鳥飛来地においてマガン等の飛行の様子をステレオカメラで撮影し、併せて風向等のデータと共に蓄積した。畳み込みニューラルネットやカルマンフィルターを組み合わせた高精度なトラッキングシステムを開発し、マガンやハクチョウのそれぞれの個体の位置、速度、加速度、羽ばたきの位相を高精度に推定した。収集した飛行のイベント数は約1500に登る。飛行中の互いの位置関係および速度差を考慮した運動方程式モデルを仮定し、実データに基づいて、有効な「バネ定数」や「減衰係数」等のパラメータを高い再現性をもって推定することに成功し、群れの安定性の条件を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

大型の渡り鳥の群れについて、特徴的なV字型飛行隊形がどのようにして生じているのかについては、仮説の域を脱しない議論が長年行われていたが、本研究は、それに定量的な説明を与えることに成功した。
工学分野では、高速道路等の渋滞の発生メカニズムとその解消が多年に渡り研究されており、特に、後方が前方を追尾する形の一次元的な制御においては、”string instability”を呼ばれる不安定性が不可避的に生じることが明らかにされている。近年、ドローンの利用は各所で拡大する中で、多数の機体が安定的に運行できるような制御方法の研究が必要になると考えられ、本研究での知見が活かされる可能性がある。