| 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, 情報理工学域, 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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| キーワード | 超音波フェーズドアレイ / ショウジョウバエ / 無線給電 / 盲導犬訓練 / バーチャルリアリティ |
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| 研究実績の概要 |
本課題では１）動物行動への新しい介入としての超音波刺激の利用，２）バイオロギング端末への遠隔給電，３）盲導犬訓練の効率化のための触覚提示VRシステムの実現，を大きな課題として取り組んでいる．
１）については，a)ショウジョウバエ幼虫を対象として，超音波刺激を当てた際にそれを忌避するように後退運動が生じることが確認されている．これを詳細に調べるため，特定の感覚器官を発現させない場合に行動がどのように変化するかを調べ，どの感覚器により超音波刺激が受容されているかを明らかにした．また，円周上に超音波を照射しその円内にショウジョウバエ幼虫を拘束することを目的とし，最適な焦点の更新頻度を探索し，適切な条件を導いた．b)アリへの介入として，アリの巣の周囲での観察を可能とする持ち運び可能な超音波刺激装置を実装し，超音波刺激を与えた際に不必要な行動変化が生じず，意図した重量変化などの介入のみが行えることを確認した．c)トンボの捕食行動への応用を目的とし，軽量ビーズを超音波によりトラップし，3次元的に高速制御するための高速カメラを利用したシステムを実装した．またその環境下でトンボの行動に不必要な悪影響が出ないことも確認した．
２）については，オオミズナギドリにバイオロギング端末を搭載し，人工巣に帰巣時に端末へ遠隔給電することを目標に，巣箱のどこにコイルを配置すると安定して給電が可能になるかをシミュレーションと実機とでそれぞれ検証した．安全な範囲で十分な電力を供給できる可能性を示すことができた．
３）盲導犬訓練のVRシステム実現のために，特に触覚による相互作用に着目し，歩行時の力を計測するための力センサを搭載したハンドルを実現し，実際に訓練時の力変化を計測した．またVRシステム実現のため，カメラ映像からの犬の3次元モデル化も行った．
以上，それぞれの課題について当初の想定以上に進んでいる．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
超音波による介入について，当初計画していたショウジョウバエ幼虫の他に，アリとトンボとを対象に，それぞれ異なる用途で超音波フェーズドアレイを利用する方法を検証している．これまでにそれぞれの昆虫に適した個別のシステムを実装し，それぞれの昆虫に対して超音波環境下で意図する介入以外の影響が少ないことが確認できている．今後はより個別具体的な介入とその影響の調査を進められる状態になっており，順調に進展している．また別の介入手段として，局所的な磁場変化を生じさせるウェアラブル端末の試作と実装も行っている．ウミガメやマスにおいて検証することを目的としており，こちらも当初の計画にはない進展を見せている．
遠隔給電については，人工巣において帰巣時のオオミズナギドリに対して給電することを目的とし，ウェアラブル端末装着時の位置を想定して，安定した遠隔給電を実現するための条件についてシミュレーションと実機によって確認を行った．次のステップとして実際にオオミズナギドリが巣にいる状態での磁場の生成とその影響の調査，実際の給電の確認などを行える状態になっている．これとは別に，アリの行動計測のためのRFIDタグリーダの高精度化も検討しており，アンテナの性能を評価し，いくつかのアンテナ配置における読み取り特性について検証した．こちらも順調に進展している．
盲導犬訓練のVRシステムについては，訓練時の力を計測するハンドルを実装し，実際の訓練時の力を計測した．力は目に見えない情報であるため，ベテラン訓練士同士であってもそれぞれがどの程度の力を加えているかを把握していない．そのため，力の大きさと方向を可視化するだけでも十分有用であることをインタビューにより確認し検証も行った．VRシステムについては，既存の力覚デバイスでは出力したい力範囲をカバーできないことを確認し，移動ロボットを応用した提示手法の検討を行った．
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| 今後の研究の推進方策 |
大きく3つの課題について，以下の方向で研究を推進する．
ショウジョウバエ幼虫への行動介入については，画像情報を利用したフィードバックを実装し，幼虫の位置に応じた刺激方法を検証する．現状では，特定の境界に常に刺激を出し続けているが，フィードバック制御により，強度の高い刺激を一点に集中して提示できるため，より安定して狭い範囲内に拘束した観察が可能になると期待している．アリとトンボについては，介入システムの実装が完了し，基礎的な行動介入実験の検証が行える状態になったため，夏の活動時期において，超音波による刺激で出来ることの範囲を確認し，また意図しない影響についても詳細に検証する．
局所磁場生成装置では，ウミガメやマスの頭部に装置を装着し，定期的に磁場の方向を変更した際の行動の変化についての基礎検討を行う．
オオミズナギドリへの遠隔給電では，夏の活動時期に実際のオオミズナギドリが人工巣内にいる状態で磁場を生成し，磁場による鳥への影響があるかどうかを検証する．またその状態で実際に必要な効率の給電が行えるかを検証する．アリのRFID用のアンテナについては，コイルの配置についてシミュレーションと実機による検証を行い，また実際の計測のための装置の実装を検討する．
盲導犬については，360度カメラを利用し実際の訓練風景を訓練士の視点に近い位置で計測し，ヘッドマウントディスプレイを利用してそれを体感する簡易のVRシステムを実装し，それによる訓練の効率化について検証する．また，複数カメラを用いて訓練時の人と犬の骨格情報を抽出し，定量的にそれぞれの動きを評価出来るシステムの実現を目指す．特に盲導犬訓練では常に犬と人とが近くにいることで，相互に遮蔽しあう関係にあるため，複数の移動するカメラで異なる角度から撮影し，それを統合して骨格を推定する手法を実装しその利用可能性について検証を行う．
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