科学者がロボットの「進化」を支援。奇妙な現象が起こる

進化とは旅のようなものだ。一見単純なメカニズムに見える。環境に最も適応した個体はより多くの子孫を残し、適応度の低い個体は繁殖が少なくなり、その遺伝子はシステムから排除される。しかし一方では（あるいは足、爪、鉤爪のように）、驚くほど多様な生物を生み出してきた。羽毛のある翼で飛ぶ動物もいれば、指の間に膜を張った動物もいる。二足歩行の動物もいれば、四足歩行の動物もいる。それぞれが独自の方法で環境に適応してきたのだ。

進化は信じられないほど強力であり、ロボット工学者たちは今、まさにその力に着目しています。オーストラリアの科学者による新たな概念実証研究は、進化アルゴリズムを用いて特定の表面を歩行するように設計されたロボットの脚をいかに設計できるかを探求しています。その結果は論理的でありながら、直感に反し、そして奇妙でもあり、ロボット工学者たちが歩行機械を設計する新たな方法を示唆する可能性があります。

研究者たちは、特定のサイズに制限された（10フィートもの悪夢のような脚ができないように）ランダムに選ばれた20個のデジタル脚の形状から始める。それぞれのデザインは、ベジェ曲線と呼ばれる要素に基づいている。「ベジェ曲線は、マイクロソフトペイントで制御点をいくつかクリックして曲線を定義するようなものですが、3次元です」と、オーストラリア連邦科学産業研究機構の研究科学者、デイビッド・ハワード氏は言う。システムはこれらの曲線を、ボクセルと呼ばれる3Dピクセルのグリッドに投影する。「曲線がボクセルと交差するところならどこでも、そのボクセルに何らかの素材を入れるだけです」とハワード氏は付け加える。「それ以外はすべて空白です」。これにより、それぞれのデザインに独自の形状が与えられる。

このシミュレーションは、特定の脚が硬い土、砂利、水面の3つの表面のいずれかを歩行する場合の「適応度」を検証します。自然界における自然淘汰のように、視力の良さやカモフラージュといった特性を選択するのではなく、このシステムは、特定の形状の脚に動力を与えて表面を歩行させる場合にモーターがどれだけのトルクを発揮する必要があるかを選択します。言い換えれば、エネルギー効率の高い脚は優れた脚です。より少ない材料で済む脚の形状にはボーナスポイントが与えられます。

「砂利の地面に足を乗せて歩くと、砂利の個々の破片にかかる力を計算できます」とハワード氏は言う。「これにより、足が環境内で実際にどのような動きをしているのかを非常に忠実に観察できます。」水や硬い土についても同様です。

研究者たちは、元の20本の脚の中から最もパフォーマンスの高い脚を組み合わせます。つまり、最も適応力の高い脚を選び出し、それらを「繁殖」させて、似たような脚を作り出すのです。「これを何度も何度も繰り返します」とハワード氏は言います。合計100世代です。最終的に、パフォーマンスの最も低い個体群の半分が除去されました。まるで自然界で劣悪な環境が動物の個体群を間引くように。「そして、私たちは環境への自動適応能力を獲得するのです」

上の画像を見てください。上段は、進化アルゴリズムによって硬い土の上を最も効率的に歩くと判断された脚です。中段は砂利の上、下段は水の上です。

刃のような脚は、土の上を歩くのに理にかなっています。地面が硬いので、細くなった脚は地面に沈み込みません。「砂利が少し厚くなっているのは、足跡を広くする必要があるからです」とハワード氏は言います。そうすることで、脚が砂利に沈み込むのではなく、その上を歩くことができるのです。まるでスノーシューのように。

太い脚が水に適応したのか？それはちょっとした謎だ。「水は奇妙なものでした。土壌と同じような刃のような構造を期待していたからです」とハワードは言う。そうすれば水を切り裂くことができるはずだ。それに、その指示からすると、システムはよりスリムなデザインを好むはずだ。「しかし、そうではありませんでした。なぜそうなるのか、まだ100％は解明できていません。」

また、脚の一部、特に土の脚に見える突起も少し奇妙だ。「理論上は、それらは実際に何らかの役割を果たしているはずだと考えています」とハワード氏は言う。「しかし実際には、ベジェ曲線をボクセルグリッドにマッピングする際に、役に立たないように見える曲線の部分は、脚自体の奥深くに何らかの構造を提供している、はるかに大きな曲線の小さな一部なのです。」突起は金属のように見えるが、脚の性能を向上も阻害もしない、単なるアーティファクトに過ぎない。ハワード氏と彼の同僚たちは、システムを微調整して、突起を自動的に検出し削除するようにした。

研究者たちはこれらのものを3Dプリントし、昆虫型の六脚ロボットに接続しました。現在計画されているのは、実際の地形で人間が設計した脚との比較試験です。研究チームは標準的な人間設計の脚をシミュレーターに搭載し、進化的に設計された脚の性能が同等かそれ以上であることを示しました。

しかし、なぜロボットの進化をシミュレーションする手間をかける必要があるのでしょうか？まず、研究者たちは、汎用的な脚に頼るのではなく、特定の地形を歩行するようにロボットを超特化させることができます。理論的には、ロボットは砂丘のような特定の環境にうまく対応できるようになります。

「ロボットを別の環境で使いたい場合、アルゴリズムを再実行するだけで済みます」と、オスロ大学で進化型形状変化ロボットを研究しているトネス・ナイガード氏は言う。ナイガード氏は今回の研究には関わっていない。「特定の用途向けに構築・設計したシステムで同じことを行う場合、プロセスの後半ではそれが不可能になるかもしれません。」

ナイガード氏自身のシステムは、伸縮脚を持つ四足歩行ロボットで、実際にはリアルタイムで進化します。試行錯誤、つまり何度も転倒することで、例えば氷の地面を歩く際、脚を縮めて重心を下げる方法を学習します。屋内では、脚を長く伸ばして歩幅を広げ、より効率的な移動が可能になります。つまり、この2つの技術を組み合わせることが可能かもしれません。シミュレーションを用いて適切な脚の設計を決定し、それを現実世界で進化する機械に組み込むのです。

進化が何かを作るのに優れているとすれば、それは驚きを生み出すことだ。「進化は、はるかに広い設計空間を探索するのです」とハワードは言う。「作っているものがどんな見た目かは気にしません。人間のエンジニアが思いつくものとは全く逆の、直感に反するものになるかもしれません。」

「しかし、それがうまくいけば、それが唯一重要なことだ」と彼は言う。

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