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太さ0.3 mm、長さ10 ? 40mm程度の小さなミミズであるイトミミズは、しばしばその柔軟な身体をくねらせ、たくさんの個体が互いに絡まり合って団子のような塊(かたまり)を形成します。このイトミミズの塊は、あたかも一つの生き物であるかのように、状況に応じて形を変えながら動き回ります。
东北大学电気通信研究所の加纳刚史准教授、大学院博士课程の叁上大志氏(研究当时)、脇田大辉特任助教、石黒章夫教授、広岛大学の小林亮名誉教授(元広岛大学大学院统合生命科学研究科)の研究グループは、行动観察実験、数理モデリング注1、シミュレーションを通して、イトミミズの块注2が地面の凹凸を利用して移动するしくみを世界で初めて明らかにしました。
この成果は、動物の群れが複雑なデコボコした自然界で動き回るしくみの理解のみならず、たくさんの?やわらかい?ロボットが协调して変幻自在に机能を発挥する、新しい工学システムの実现につながると期待されます。
本研究成果は、2023年8月29日(日本時間15時)に科学誌Frontiers in Neurorobotics電子版に掲載されました。
研究の背景
動物の群れは、各個体の動きを指示するリーダーがいなくても互いに動きを協調させ、環境に応じて動きを変えることができます。その中でも、イトミミズやブラックワームなどの細長くやわらかい身体を持つ動物の群れは、個体同士が絡まり合って塊を作り、その塊が環境に応じて変幻自在に形を変えながら動き回るという、大変興味深い特徴を持っています。 このような個体が絡まり合って塊を作る動物の群れに関する研究は既にありましたが[1、2]、いずれも平らな地面上の動きを扱っており、デコボコした自然界で動き回るしくみはわかっていません。
今回の取り组み
そこで研究グループは、イトミミズの块に着目し、行动観察実験ならびに数理モデリング、シミュレーションを通して、块が地面の凹凸のある环境下において移动するしくみの解明を试みました。
まず、鉄アレイ型のケースをたくさん作り、一方のグループには床に杭(くい)を立て、残りのグループには何も立てず、それぞれのケースにイトミミズの塊を入れました。その結果、塊はケースの二つの部屋を行き来し、杭ありのグループのほうがすばやく移動することがわかりました(図1a, b)。このケース内の移動は、まず半球状の塊が細長くなり、ある個体が杭に絡みつくとそこに塊が引き寄せられるようにして、起こっていました。
以上の行动観察から、研究グループは、次のようなしくみにより块が移动していると考えました(図2)。
このしくみを数理モデルで表现し、シミュレーションしたところ、行动観察结果を再现することができました(図3)。この结果は、地面の凹凸を活用したイトミミズの块の移动が上记のしくみで起こっていることを示唆しています。
今后の展开
本研究成果は、动物の群れが复雑なデコボコした自然界で动き回るしくみの理解につながります。また、本研究は工学的な意义も有しています。ロボットが多数集まり协调して动く群ロボット注3のシステムはこれまでにも開発されてきましたが、それらはいずれも硬い素材でできたロボットの集団でした[3]。本研究は、たくさんの?やわらかい?ロボットが协调して変幻自在に机能を発挥する、新しい工学システムの実现につながると期待されます。
図1. (a)杭なし、(b)杭ありの鉄アレイ型のケースにイトミミズの塊を入れ、1試行あたり66時間、10試行観察した。左下のグラフは、 1試行あたりに片道移動した回数を示しており、杭ありのほうが多く移動していることがわかる。(c)は突起の成長の様子を示す。
図2. 行动観察実験をもとに研究グループが推测した块の移动のしくみ(本文参照)。
図3. シミュレーション结果。行动観察実験と同様、(产)杭ありのほうが(补)杭なしよりもすばやく移动していることがわかる。
日本学術振興会 科学研究費補助金 学術変革領域(B)21H05104 (研究代表者:加納剛史)
日本学術振興会 学術研究助成基金助成金 国際共同研究(B)19KK0103 (研究代表者:加納剛史)
東北大学人工知能エレクトロニクス卓越大学院プログラム (三上大志)
注1. 数理モデリング：現象のしくみを理解するために、現象を数式で表すこと。
注2. イトミミズの塊：正確には、本研究の実験で使用したイトミミズの塊は、イトミミズ亜科に属するユリミミズ、ウィリーユリミミズが大多数を占める複数種で構成されている。
注3. 群ロボット：ある作業を行うために協調して動作する複数台のロボット。次の3つのメリットがある。①負荷の分散や環境に応じた担当変更が容易な?柔軟性?、②一部のロボットが故障しても他のロボットが代わりになれる?頑強性?、③ロボットの台数が増減しても安定して機能する?拡縮性?。これらのメリットを生かすことで、探索や搬送、同時分業が得意と言われている。
[1] Nguyen, C., Ozkan-Aydin, Y., Tuazon, H., Goldman, D. I., Bhamla, M. S., and Peleg, O. (2021). Emergent collective locomotion in an active polymer model of entangled worm blobs. Frontiers in Physics 9: 734499.
[2] Ozkan-Aydin, Y., Goldman, D. I., and Bhamla, M. S. (2021). Collective dynamics in entangled worm and robot blobs. Proceedings of the National Academy of Sciences 118, e2010542118
[3] Hamann, H. (2018). Swarm robotics: A formal approach, (Springer)
动画1：イトミミズの块の形成过程(动画前半)。嫌な刺激であるカラシから块が逃げる様子(动画后半)。
动画2：杭を活用して动くイトミミズの块の様子(図1产)
动画3：突起の成长の様子(図1肠)
动画4：シミュレーション结果(図3)。动画の左侧が杭なし、右侧が杭あり。
＜研究に関すること＞
东北大学电気通信研究所
准教授 加纳刚史
TEL: 022-217-5465
E-mail: tkano＊riec.tohoku.ac.jp
＜报道に関すること＞
东北大学电気通信研究所総務係
TEL: 022-217-5420
E-mail: riec-somu＊grp.tohoku.ac.jp
広島大学 広報室
罢贰尝：082-424-3749
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2023年08月31日
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