6本足ロボットが空を見つめて砂漠のアリのように移動する

もし最近、砂漠アリのカタグリフィス・フォルティス（Cataglyphis fortis）を羨ましがっていたら、それは勘弁してください。サハラ砂漠を飛び回るこの昆虫は、あまりにも過酷な気温に耐え、時には15分ほどしか採餌活動ができず、焼け死んでしまうこともあります。さらに悪いことに、アリが互いに移動するために残すフェロモンの痕跡も、熱によって消えてしまいます。ここで迷子になったら、文字通り焼け焦げてしまいます。

そのため、砂漠アリは超能力を進化させています。人間には見えない、太陽から放射される特徴的な偏光帯を探し、自分の位置を把握します。また、歩数を数えて移動距離を測るため、昆虫界のフィットネストラッカーとも言えるでしょう。この2つの情報源を組み合わせることで、アリは砂漠をジグザグに飛び回り、おいしい昆虫の死骸を探しながらも、驚くほど正確に家路につくことができるのです。

偏光を感知することはアリにとって不可欠な能力であり、近い将来、ロボットや自動運転車にも役立つようになるかもしれません。フランスのエクス＝マルセイユ大学の研究者たちは本日、Science Robotics誌に、砂漠のアリのように道を見つける6本足ロボット「AntBot」を開発したと発表しました。未来のロボットカーがこれだけで移動できるわけではありませんが、偏光を利用することで、GPSのような不安定なシステムを補完する有用な感覚をロボットに与えることができるかもしれません。

太陽からの偏光は目に見えないため、私たちのような凡人には直感的に理解しにくいかもしれません。偏光とは、光の伝播方向のことです。「太陽の位置に応じて特定の方向を向く線が空にあると想像してみてください」と、新論文の共著者であるバイオロボット学者ステファン・ヴィオレ氏は言います。「空にはパターンがあり、アリはこのパターンを使って方向を測っているのです。」まるで空一面に描かれた巨大な地図のようです。この便利な動画でご覧いただけるように、フィルターを使うことでアリが自然に見ているものを人間の目にも見えるようにすることができます。

砂漠のアリのように物を見るために、AntBotは驚くほどシンプルなセンサー「天体コンパス」を使用している。このセンサーは2つのフォトダイオードで構成されており、太陽の偏光紫外線を電気信号に変換する。「これは全く従来とは異なる視覚です」と、研究の筆頭著者であるジュリアン・デュペイルー氏は語る。「非常にミニマルなセンサーです。」

これがロボットに必要な最初の情報です。次に必要なのは移動距離です。これは簡単です。AntBotは砂漠に棲むミューズのように、歩数もカウントします。アリは速度を把握するために、目の一部を地面に向けます。この速度と歩数を組み合わせることで、アリは移動距離を把握し、巣に戻るまでにどれくらい歩く必要があるかを判断します。AntBotは光学フローセンサーと呼ばれるものを使って、地面が目の前でどれだけの速さで動いているかを推測します。

「必要なのはたった2つの基本情報だけです」とヴィオレは言います。「方向と移動距離が必要です。巣に戻ろうと決めたら、巣に対する自分の位置を簡単に推測できます。」

灼熱の砂漠では誤差は許されないため、アリはこの種の計算を極めて正確に行う必要がある。そして、AntBotもまた、そのシンプルなセンシング技術にもかかわらず、驚異的な精度を実現できることが判明した。これをテストするために、研究者たちはロボットに砂漠のアリのように「採餌」するようにプログラムした。つまり、一方向にまっすぐ進むのではなく、ジグザグに移動するのだ。

上の図をご覧ください。左側はアリの進路で、細い線が往路、太くまっすぐな線が帰路です。右側はロボットの試みです（進路上の実線は、位置を確認するために停止した地点です）。屋外実験では、AntBotは約15メートル（約15メートル）移動しながらも、半インチ（約0.5センチ）未満の精度で出発点に戻ることができました。

今後の構想は、このシステムを従来のマシンビジョンやLIDAR（レーザーを照射して環境をマッピングする）といった他のロボット感覚を補完するものとして応用することです。どちらも計算量とエネルギーコストが高いですが、AntBotのセンサーははるかに低負荷です。たった2つのピクセルで紫外線偏光を監視しているだけなのです。さらに、この種のナビゲーションは曇り空でも機能します。紫外線は雲を透過するからです。

この技術は、特に自動運転車にとって問題となるGPSの限界を補うのにも役立つ可能性がある。「都市部には金属構造物が多く、磁場を乱すのです」と、論文の共著者であるジュリアン・セレス氏は述べている。「この種の視覚センサーを追加することで、自動運転のための信頼性の高い情報を得ることができると考えています。」

ロボット工学という広い意味では、このアプローチは、自然界が既存技術の欠点を克服するための設計アイデアを提供できることを示すもう一つの例です。自然淘汰はエネルギーの無駄を嫌うため、生物は生存のためにエネルギーを可能な限り消費しないように最適化されています。砂漠のアリも例外ではありません。これらの研究者が行ったのは、非常にエネルギー効率の高い環境感知方法を採用し、それをさらに改良していくことです。

「これは本当にうまく機能する戦略だと思います」と、ロボットに触覚を与えるシステムを開発したSynTouchの共同創業者兼CTO、ジェレミー・フィシェル氏は語る。「生物学を研究し、それを人工世界に持ち込み、非常に迅速に反復することができます。」つまり、これらの研究者たちは、自然淘汰によって何千年にもわたって丹念に磨き上げられてきたシステムを、ロボット向けにさらに調整することができるのだ。

地獄で苦労しながら、ロボットがこの大きくて悪い世界を生き抜くのを無意識のうちに助けている砂漠のアリに乾杯。

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