2021年3月15日、オンラインで第4回ソフトロボット創世シンポジウム（OPERA-新学術　3領域　融合シンポジウム）「やわらか機構脳がもたらすやわらかロボットの超進化」を開催しました。

　山形大学の飯塚博理事・副学長による開会挨拶、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）イノベーション拠点推進部部長の酒井重樹様による来賓挨拶に続き、SOFUMOプロジェクトの事業概要説明、近畿大学の谷本道哉准教授と北海道大学の中垣俊之教授による基調講演、さらにソフトロボット学プロジェクトとCNVFABプロジェクトの研究発表とパネルディスカッションが行われました。

　SOFUMOコンソーシアムが推進するソフトマターロボティクス（SMR）とは、「重さ、硬さ、あたたかさ、静けさ、感触、素材が人間に近いもので構成されているロボット」と、私たちは定義しています。山形大学が得意とするフレキシブルな回路、センサ、発光素子、電池など、スケールの異なる技術を柔らかな躯体・ロボットに統合する難しさがあり、多くの研究者が連携しています。

　これまでにSOFUMOコンソーシアムが試作してきたものは、ミミズ型の生分解性配管探査ロボット、そしてゲルハチ公、ゲルハチロイドです。ゲルハチ公とゲルハチロイドはハチ公像を模したもので、特に後者は肉球の感触が本物に近く、涙も流します。SMRの一つの出口として、心地いい感触により新しいコミュニケーションが生まれると考えています。SDGsなども意識し、今後も異分野の研究者や産業と協力しながら次世代SMRの研究開発を進めていきます。

オチュア株式会社 代表／デジタルハリウッド大学 准教授　　星野　裕之 氏

　本プロジェクトではロボットデザイナーとして、ロボットの姿形、名前、ストーリー、社会実装の方法論、一般に向けた認知度向上などを考え、課題解決を通じて成長を促すことを行ってきました。プロジェクトメンバーと未来の明示化も行い、本プロジェクトが生物や自然界に向かっているというビジョン作りにも関わりました。

　私が本プロジェクトで最も感銘を受けたのが、時間経過によって状態が変わるマテリアルです。硬くて強いハードマター工業から、ソフトマター工業がこれからの価値となっていくと感じました。ソフトマターの未来を考えるとき、研究だけでなく、ソフトロボットが当たり前になった未来やSFからも想像することで、幅広い可能性が生まれると考えています。

山形大学 准教授　　多田隈　理一郎

　従来の硬くて単純なロボットは中枢神経系だけで制御していましたが、やわらかくて複雑なロボットを動かすためには、末梢機構にも中枢神経系のような情報処理を行わせる必要があります。それを実現するのが「やわらか機構脳」です。ロボットの個々の動作部分に小型の脳を組み込み、局所的なセンサと一体化することで、各動作部分が半自律的に動くようにすることが目的です。タコの足のように、やわらかく知的に動くことをロボットで再現したいのです。例えば、繊毛振動型のロボットで、繊毛ユニット一つひとつを制御できれば、その上にある物体を輸送したり、触感を変えたりできます。また、古川教授が開発したDNゲルは、通電すると水が滲み出して摩擦が変化するため、局所的に摩擦を制御できます。

　こうした技術や素材を組み合わせて互いがニューロンのように通信し合い、感覚器官のように振る舞うようにすることで、人間と親和性の高い、人間中心のロボットやシステムの開発につなげたい次第です。

● 基調講演１ ●

PROFILE

1972年生まれ　静岡県出身　

近畿大学生物理工学部准教授。日本オリンピック委員会医科学スタッフ。日本ボディビル連盟医科学委員。大阪大学工学部卒。東京大学大学院総合文化研究科博士課程修了。博士（学術）。国立健康・栄養研究所特別研究員、東京大学 学術研究員、順天堂大学 博士研究員、近畿大学講師を経て現職。専門は筋生理学、身体運動科学。著書に「35歳からのカラダルールBOOK」（ベースボール・マガジン社）、「スポーツ科学の教科書」（岩波書店）など多数。NHK「みんなで筋肉体操」「あさイチ」「おはよう日本」、テレビ朝日「モーニングショー」、フジテレビ「ホンマでっか！？TV」などでも運動の効果をわかりやすく解説している。

　スポーツやトレーニングの動作では、思っている動作と実際の動きが一致せず、無意識に適切な動作をしていることが多くあります。例えば、野球のボールを投げるとき、腕を振っていると考えがちです。しかし腕を振る角度は20度程度で、実際には体幹ごと大きく回し、一気に内旋させる（ねじる）ことでスピードのあるボールを投げます。腕を動かす筋肉には大胸筋と広背筋があり、解剖学的な構造から「振る」よりも「ねじる」ほうが速球を投げられるためです。

　無意識に適切な動作をしている例は、他にもあります。内力によって角運動量は変化せず、身体の一部が運動を起こすと残りの部分に反作用が生じる「運動量内部保存」という現象があります。普段歩くとき、右足を出すと自然と左手が後ろにいく動作が、まさに運動量内部保存です。私たちは、ハンドボールでこのことを検証しました。右手を利き手としたとき、左足で踏み切れば運動量内部保存によって強くボールを投げることができますが、試合では右足で踏み切らざるをえないシーンもあります。そこで、上級者と初心者で股関節の動きを測定したところ、上級者は右足で踏み切っても空中で右足を後ろに引き、大きな角運動量をつくる動作を行なっていることがわかりました。選手たちは意識せずに行っていますが、体は最適な動き方を知っているのです。

　私の専門である筋トレのようなゆっくりとした動作でも、体は最適な動作を行っています。ベンチプレスを持ち上げるとき、鉛直方向に力をかけていると考えている人がほとんどかもしれませんが、そんなことはありません。先行研究では、鉛直方向の力の30％を外向きにも出していると示されています。鉛直方向だけに力をかけると、肩のトルクだけで持ち上げることになります。そこで、肘のトルクも活用し、モーメントアームを分け合うようにする、つまり斜め上に持ち上げるようにすると、鉛直方向の力は肩トルクのみの場合の1.5倍にもなります。

　また、一般的には、ベンチプレスで手幅が広いほど大胸筋が、狭いほど上腕三頭筋を鍛えられるというイメージがあります。しかし、私たちが実際に筋活動について調べたところ、手幅によって大胸筋と上腕三頭筋の貢献度はほとんど変わらないことがわかりました。同様の結果は腕立て伏せでも得られました。なお、ベンチプレスも腕立て伏せも、手幅が広いときは水平外向きに、手幅が狭いときは水平内向きに力を発揮していました。体は自然と、筋肉の使い方を最適化させている、ということでしょう。

● 基調講演２ ●

PROFILE

1963年生まれ　愛知県出身

昭和６２年北海道大学薬学部卒。平成元年同大薬学研究科修士修了。製薬企業に就職し５年間勤務したのち退社。名古屋大学人間情報学研究科博士課程に入学。その間、通信制高校非常勤講師を兼務しながら、平成９年に同博士修了し学術博士となる。理化学研究所研究員を経て、平成１２年北海道大学電子科学研究所助教授。平成２２年公立はこだて未来大学システム情報科学部教授を務め平成２５年北海道大学電子科学研究所教授となり、平成２９年より同所長。専門は物理エソロジー。2008年イグノーベル賞認知科学賞、2010年イグノーベル賞交通計画賞、2010年NHK番組「爆笑問題の日本の教養」による爆ノーベル賞、2011年函館市長賞。趣味は、庭での野菜作りと園芸。

　私たちの研究では、粘菌をはじめ、原生生物一般の巧みな行動を情報処理アルゴリズムとしてとらえなおすことを目指しています。情報科学ではヒューリスティクスとよばれるものに近いと思います。

　粘菌は、脈動を繰り返しながら1時間に1センチ程度の速さで流れるように移動します。体内には栄養や自分の体を輸送するための管が血管網のようにひろがっており、このネットワークをダイナミックに作り直しながら移動します。粘菌を断片化して迷路に置くと、餌のある2か所の最短距離をとるように体を伸ばします。この行動は、管の中の流れに依存して管が成長する性質によるものと考えられました。

　そこで、私たちはこの性質を「流動強化則」と名付け、定式化することを試みました。流体力学をベースに、管の太さが流れに応じて成長したり衰退したりする「流量強化関数」を入れ、生き物らしい性質を取り入れた発展方程式を作成しました。この方程式でシミュレーションを行うと、確かに迷路の最短経路を再現できました。発展方程式は時間によって変化するので、内的・外的な環境変動に対して逐次改善することで環境に適応できます。変動が著しい野外環境において非常にうまく働くアルゴリズムなのです。

　また、粘菌は光を嫌う性質があり、これもアルゴリズムに組み込むことができます。実験では、餌と光を利用することで、関東地方の鉄道網を粘菌に再現させることができました。関東地方の形のシャーレの主要都市の位置に餌を置き、都心にあたる位置に粘菌を置いて成長させ、山や湖など鉄道を敷けないような場所には光をあてたところ、実際の鉄道網によく似たネットワークを形成したのです。

　粘菌とは別に、さまざまな生物の蠕動的這行運動も研究しています。蠕動的這行運動とは、貝やカタツムリなどが這って進む動きのことで、局所的な収縮リズムが波のように伝わる蠕動波動によって起こりますが、ミミズやムカデなどが多数の足を使って進む場合にも、同様のリズムが見られます。おもしろいのは、蠕動波動が進行方向の前から後ろにいく種もあれば、後ろから前にいく種もいることです。この現象は、力学的には、2つのブロックがバネでつながっており、ブロックの摩擦係数が周期的に変化するというモデルで再現できます。摩擦係数の変化は、生物では、体を地面に押し付ける強さや、粘液のレオロジーを活用して実現していると思われます。この原理は、足のあるなしにかかわらず、体の使い方が共通していることを暗示しています。つまり、進化的に足を獲得する前に、すでに足の使い方を獲得していた可能性があるという面白さがあります。また、こうした仕組みの研究は、ソフトロボットの這行、特に不整地環境で移動を考えるときに重要になると考えられます。

● 研究発表（ソフトロボット学）●

「ソフトロボット学プロジェクト概要」

東京工業大学教授／ソフトロボット学領域代表　　鈴森　康一 氏

　ソフトロボット学は、赤ちゃんを優しく抱くといった、生き物なら簡単できる動きをロボットに搭載することが目的です。やわらかい技術を導入し、生体システムの価値観である「いい加減」（「適当」と「ちょうど良い」の両方の意味）で動くロボットを目指しています。材料科学や生物学など異分野と融合した「しなやかな身体」、「しなやかな動き」、「しなやかな知能」の3班からなり、それぞれ、ダチョウの首を参考にした弾性連続体、薄膜太陽電池、蠕動運動制御などをテーマに取り組んでいます。

「ソフトロボット応用に向けたフレキシブルセンサ」

大阪府立大学 教授　　竹井　邦晴 氏

　私たちは、ナノ材料の物性解析や電子デバイスの開発を行い、そこで得られた優れた特性を利用することで高性能フレキシブルデバイスへと展開しています。またこれらフレキシブルデバイスを実用化へと移行する技術としてプリンテッドエレクトロニクスの分野へと発展させています。例えば、絆創膏のようなセンサシートを人体の皮膚に貼りつけることで常時健康管理ができる世界を目指しています。この技術は、健康管理だけでなく次世代IoT分野にも貢献できると考えています。

　これらの成果の中でも今回はIoT応用として、風の流れ分布を計測するセンサシートを紹介します。本計測原理は、ヒーターの周りに温度センサを集積したシート上に風が流れることで、ヒーターの熱分布が乱れます。この熱分布を温度センサで計測することで、風向や風量を算出します。フィルムシート上に集積形成しているため平面の熱分布だけでなく、ペットボトルのような曲面でも計測することができます。

　また、鳥のロボットの羽ばたきを計測して風の流れを予測することにも取り組みました。羽の上にひずみセンサを印刷形成し、物理リザバーコンピューティングという機械学習技術を用いて、波形の非線形的な変化から風向を予測することができました。この成果は、鳥型ロボットやドローンの飛行時に風の流れを即時計測してフィードバックをかけることで、より生物に近い飛行方式を獲得させるのに活用できると考えられます。

● 研究発表（CNVFAB）●

「やわらかものづくりプロジェクト概要」

山形大学 教授／CNVFAB領域統括　　古川　英光

　本プロジェクトは、3Dプリント技術、インクジェット技術、スクリーン印刷技術、原子層堆積と塗布技術、フレキシブルTFTと電極技術という、5つの大きなグループで活動しています。山形大学の強みである有機材料と積層技術を集結したものといえます。これらを組み合わせることで、やわらかい任意形状の構造体とデバイスを作製でき、カスタムメードで人体に触れるような電化製品を作ることができると考えられます。その中でも、製品サイズが大きく、注目を集めやすいアシストスーツに着目し、CNVFABならではの付加価値を訴求することにしました。

　まず、フレーム部品は3Dプリントで製作できます。モーターなどを制御する電子回路はフレキシブルなもので実装可能です。人体に触れる部分にやわらかいセンサをインクジェット技術またはスクリーン印刷で搭載することで、細かい制御やフィードバックを実現できます。特に3Dプリントによって金型が不要になるので、開発期間は数ヶ月、コストとして数千万円を削減できるのが大きな特長です。

　今後、社会実装を目指すテーマを選定し、研究開発を進める予定です。

古川：やわらか機構脳について皆さんと議論したいため、最初に概念を振り返りたいと思います。

星野：ソフトマターをきっかけに今後の工業製品が変わると思います。今ままでは硬くて変化しないハードマターだったものが、やわらかくて変化するソフトマターとなり、人間のためのものになっていくと思います。先ほどの粘菌の話には驚嘆したのですが、既存の法則からすると想像だにしないことが起きているわけです。そういうものを私たちが理解するために、これまでとは違う考え方を用いる必要があり、それがやわらか機構脳ではないかと理解しました。

中垣：ソフトロボット学の進歩が目覚ましく、この先どうなるのだろうというワクワク感があり、それを見守りたいという気持ちです。ものづくりについては、昔から構造などは生物から学べるものがあるとされてきましたが、システムの動きもまた生物から学べるものがあると思います。生物の動きを真似できるほど、工学が進歩してきたという印象をもちました。その際に重要なのは「いい加減」（適当）ということです。生物では精密にやろうとすればするほど、何か違うものになってしまいます。その一方で、精密に動く機械工学が大成功を収めました。その間で省略されている何かを見落としているのではないか、と考えています。

古川：多田隈先生がロボットを作るとき、蠕動波動は前からがいいのか後ろからがいいのかという話をしていて、基調講演の蠕動的這行運動の話題ではどちらでもいいということに衝撃を受けました。多田隈先生が提案されているやわらか機構脳についてコメントをお願いします。

多田隈：タコの足のように、知能を体の各部分に配置させ、脊髄反射的に処理できるようにするのがやわらか機構脳です。今の産業ロボットは、工場に配備してから約1年かけて採算が取れるような調整を行っています。タコが環境にすぐ馴染むように、ロボットも素早く環境に適応できれば、今のロボットの限界を突破できると考え、やわらか機構脳を提唱しています。

谷本：投球で腕を「振る」のか「ねじる」のかの話をしましたが、実は体の構造の細かいところが関係しています。生物の動きを学ぶときには制御の方法だけでなく、特殊な構造ありきで、その構造と動作がどうリンクしているのか突き止めることで、早く答えにたどり着けるかもしれません。

竹井：ソフトロボット学プロジェクトでは、生物から学び、そこから知能を作り出そうとしています。ただし、人間の脳がやっているようなフィードバックをロボットに実装するのがかなり難しいとも考えています。アルゴリズムやセンシング、動作など、個々を再現できたとしても、それらをシステムとして統合していくことが大きな課題になると思います。また、単に生物から学ぶだけでなく、電気工学的・機械工学的に生物の機能を超えるような動作や知能を作ることも視野に入れています。

鈴森：従来のロボットは、例えばコップを持つとき、コップの形状や位置を認識してから、どの関節を動かすべきか計算し、関節モーターに指示を出します。これを私は中央集権型とよんでいます。実は、ボールを投げるロボットでは、わざと駆動しない関節を入れてバネで支えるような構造にすると、うまく投げられるということがあります。ある程度「いい加減」（適当）にし、自由度を与えると知能的な動きをするのです。これを私は、「現場への権限委譲方式」とよんでいます。いかに現場に権限を委譲するとうまくいくか、それを追求するのがソフトロボットの知能とやわらかさの本質につながると考えています。

谷本：末梢に権限を委ねてある程度の頭脳をもたせるとするなら、末梢と中枢との間でどういうリンケージを想定しているのか、疑問に思いました。人体には、筋肉が引き伸ばされると脊髄反射で自動的に縮む、伸張反射という現象があります。おそらく、中枢の負担を減らすための仕組みだと考えられていますが、当然中枢はある程度のことを知っており、リンクしあっています。つまり、上位からの指令は来ないけれども、フィードフォワードをかけていると考えられています。末梢と中枢の間で、フィードバックだけでなくフィードフォワードをかけるとき、その機構をソフトロボットではどう考えているのか、という点が気になりました。

多田隈：脊髄反射は、進化の中で理にかなった仕組みだと思います。そこも定式化して、仕組みとして作る必要があると思います。

古川：生物の普段の振る舞いや構造だけでなく、自然環境における動作からも何か見いだせることありそうです。本日はありがとうございました。