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昆虫の感覚・運動・脳への介入による身体周辺空間操作から紐解く環境適応メカニズム

研究課題

研究課題/領域番号 23H00481
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分61:人間情報学およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

大脇 大  東北大学, 工学研究科, 准教授 (40551908)

研究分担者 青沼 仁志  神戸大学, 理学研究科, 教授 (20333643)
志垣 俊介  国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 助教 (50825289)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
47,580千円 (直接経費: 36,600千円、間接経費: 10,980千円)
2025年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
2024年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
2023年度: 20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)
キーワード昆虫 / 環境適応 / 身体周辺空間 / 介入 / 身体周辺空間表現 / モーションキャプチャシステム / 不整地環境
研究開始時の研究の概要

昆虫は,神経細胞数が少ないにもかかわらず,未知の環境においても,しぶとく,しなやかに移動する.この適応能力は,感覚情報を統合しながら環境を認知し,状況に応じて身体を制御することで生み出されるが,その機序は未解明である.この謎を紐解く鍵として身体周辺空間の内部表現に着目する.身体周辺空間とは,身体周辺の「手が届く」空間であり,環境との物理的接触から得られる感覚情報から統合される.故に身体と環境との力学的相互作用は身体周辺空間内で起こり,未知環境において運動を生成する足場となる.本研究では,昆虫の感覚・運動・脳への介入技術を駆使し身体周辺空間表現を操作するアプローチによりその変容機序を探求する.

研究実績の概要

本研究では,(1) 昆虫の歩行中の身体周辺空間(i-PPS)表現の定量化,(2) 感覚・運動・脳への介入による身体周辺空間表現の操作技術の開発,(3) 行動データに基づく身体周辺空間モデルを内包する制御則のモデル化,(4) 昆虫型ロボットによる歩行機能検証,の4項目を推進する .(1) i-PPS可視化,および(2) i-PPS 介入操作は本研究の基幹であり,研究期間の前半を通して徹底的に行う.
[R5の実績] 昆虫の身体周辺空間の内部表現(i-PPS)の定量化
ナナフシの歩行データから身体周辺空間(i-PPS)を定量化ため,身体周辺空間を可視化するための計測システムを整備した.多様な不整地環境における歩行データをモーションキャプチャシステム(備品として購入)を用いて収集・蓄積するシステムを構築した. ナナフシを採取し,研究室にて飼育・繁殖させる環境を整備した.
モーションキャプチャで取得可能な反射マーカーをナナフシの脚運動をデータ化するために必要となる位置に貼付し,身体モデルを構築することで歩行運動をデータ化した.初動段階として,平地,階段状,ランダムな高さの飛び地を用意し,モーションキャプチャシステム環境でナナフシを歩行させることによって,さまざまな環境における歩行データを取得した.得られた歩行中の脚の軌道データから,脚運動の運動学的可動範囲と環境との接触点のデータを蓄積した.取得した歩行データから,身体周辺空間の内部表現(i-PPS)の定量化が可能となった.
さらに,次年度に実施するVR技術を用いた感覚への介入システムの候補となる,サーボスフィアシステムのプロトタイプを構築した.さらに,Motion Hacking,義足を用いた歩行運動への介入実験に関する予備的検証を行った.コオロギを用いた義足歩行実験を実施して,脚協調に重要となる感覚フィードバックの存在が明らかになりつつあり,次年度以降の介入実験において重要な知見となる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

身体周辺空間を可視化するため,多様な不整地環境における歩行データを,モーションキャプチャシステムを用いて収集・蓄積するシステムを構築した.

今後の研究の推進方策

[R6の計画] 感覚・運動・脳への介入による身体周辺空間表現の操作
VR技術を用いた感覚情報への介入,Motion Hacking・義足を用いた運動への介入,薬理阻害に基づく脳機能への介入を通して,身体周辺空間表 現(i-PPS)の変容をデータ化する.各介入技術を共有しながら,段階的に脳機能を阻害した際の,感覚介入および運動介入を実施し,システ ム工学的観点からi-PPS表現の因果データ(介入と行動)を蓄積する.

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 2件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] Bielefeld University/Faculty of Biology/Department of Biological Cybernetics(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Identifying essential factors for energy-efficient walking control across a wide range of velocities in reflex-based musculoskeletal systems2024

    • 著者名/発表者名
      Koseki Shunsuke、Hayashibe Mitsuhiro、Owaki Dai
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 20 号: 1 ページ: e1011771-e1011771

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1011771

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Latent Representation-Based Learning Controller for Pneumatic and Hydraulic Dual Actuation of Pressure-Driven Soft Actuators2024

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Taku、Kutsuzawa Kyo、Owaki Dai、Hayashibe Mitsuhiro
    • 雑誌名

      Soft Robotics

      巻: 11 号: 1 ページ: 105-117

    • DOI

      10.1089/soro.2022.0224

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Usage of a Sensory-Motor Intervention System for Understanding the Adaptive Behavior of Insects2024

    • 著者名/発表者名
      Shigaki Shunsuke、Ando Noriyasu
    • 雑誌名

      Applied Sciences

      巻: 14 号: 3 ページ: 1139-1139

    • DOI

      10.3390/app14031139

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 感覚-運動介入システムによって紐解く昆虫の適応行動2024

    • 著者名/発表者名
      志垣俊介,安藤規泰
    • 雑誌名

      システム/制御/情報

      巻: 68 ページ: 128-133

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A hierarchical model for external electrical control of an insect, accounting for inter-individual variation of muscle force properties2023

    • 著者名/発表者名
      Owaki Dai、Duerr Volker、Schmitz Josef
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 12

    • DOI

      10.7554/elife.85275

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Aminergic control of aggressive behavior in social insects2023

    • 著者名/発表者名
      Aonuma Hitoshi、Benelli Giovanni
    • 雑誌名

      Entomologia Generalis

      巻: 43 号: 5 ページ: 927-937

    • DOI

      10.1127/entomologia/2023/1994

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Embodied latch mechanism of the mandible to power at an ultrahigh speed in the trap-jaw ants Odontomachus kuroiwae2023

    • 著者名/発表者名
      Aonuma H., Naniwa K., Sugimoto Y., Ohkawara K. and Kagaya K.
    • 雑誌名

      Journal of Experimental Biology

      巻: - 号: 10

    • DOI

      10.1242/jeb.245396

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 動物の人工物化から紐解く適応能2024

    • 著者名/発表者名
      大脇大
    • 学会等名
      第36回自律分散システム・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Musculoskeletal systems that generate extremely fast movements in the trap-jaw ants2023

    • 著者名/発表者名
      Aonuma, Hitoshi
    • 学会等名
      The 11th International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines (AMAM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Insect olfactory receptor-inspired signal processing method for chemical sensing2023

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Shigaki
    • 学会等名
      IEEE Sensors
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 感覚運動介入系を用いた昆虫の匂い源探索行動解析とその応用2023

    • 著者名/発表者名
      志垣俊介
    • 学会等名
      第3回香りの計測と心理・生理学的効果の応用に関する調査専門委員会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] Dai Owaki (researchmap)

    • URL

      https://researchmap.jp/embodiment2004

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Shunsuke Shigaki (reserchmap)

    • URL

      https://researchmap.jp/sshigaki

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Hitoshi Aonuma (researchmap)

    • URL

      https://researchmap.jp/read0073962

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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