PHOTO: DUPEYROUX ET AL., SCI. ROBOT. 4, EAAU0307 (2019)

サハラ砂漠周辺を生息地とするサハラサバクアリ。砂漠を歩き回るこの小さな虫は、過酷な暑さに耐えながら生きている。エサを求めて15分間走り続けたあげく、焼け死ぬことだってあるくらいだ。

さらに砂漠では、アリが互いに道を教えるために残すフェロモンの道標が、熱によって消えてしまう。道に迷ったら、文字通り干からびるしかない。

その結果、砂漠アリたちは驚異的な能力を進化させた。人には検知できない太陽から発せられる偏光を利用して、進むべき方向を理解するのだ。さらにアリたちは自分の歩数を数えることで、それまでの移動距離を把握する（昆虫界のフィットネストラッカーだ）。

このふたつの情報源を組み合わせることで、砂漠アリたちは食料である昆虫の死骸を求めて砂漠をジグザグに移動しても、驚くべき精度で帰り道を見つけることができる。

PHOTO: DUPEYROUX ET AL., SCI. ROBOT. 4, EAAU0307 (2019)

偏光は「空に浮かんだ巨大な地図」

偏光の検知はアリにとって不可欠のスキルである。それがもうすぐ、ロボットや自律走行車にとっても役立つものになりそうだ。

フランスにあるエクス＝マルセイユ大学の研究者たちは、砂漠アリと同じ方法で進むべき方向を見つける6本脚のロボット「AntBot」を開発した。研究に関する論文は2019年2月13日付けで『ScienceRobotics』誌に掲載された。

とはいえ、自律走行車がこの技術だけで走行できるようになるわけではない。偏光を利用することで、GPSなどの頼りないシステムに利便性の高い新たな“感覚”を追加し、機能を補えるようになるのだ。

IMAGE: DUPEYROUX ET AL., SCI. ROBOT. 4, EAAU0307 (2019)

人が検知できない偏光は、われわれ人間にとっては直感的に理解しづらい存在である。簡単に言えば、偏光とは振動方向が一定な光のことを指す。

今回の論文の執筆者であるバイオロボット工学者のステファン・ヴィオレはこう説明する。「空に線が引かれていて、それらが太陽の位置によって特定の方向に向かっている状況を想像してみてください。アリはこの空に浮かんだ模様を使って方向を見極めているのです」

それはまるで、空全体に描かれた巨大な地図だ。ちなみに、この動画を見るとわかるように、人間も偏光フィルターを使うことで、アリが見ている世界を体験することができる。

シンプルかつ高精度なアリロボット

砂漠アリと同じような視覚を得るために、AntBotは驚くほど単純なセンサーを使用している。「天体コンパス」と呼ばれるこのセンサーは、ふたつのフォトダイオードによって太陽の偏光紫外線を電気信号に変換する。筆頭著者のジュリアン・デュペルーは、「間違いなく従来にない視覚です。非常にミニマリスト的なセンサーと言えるでしょう」と話す。

次に必要なのは移動した距離だ。これは簡単で、AntBotも砂漠アリと同じように歩数を数えることになる。

アリは目の一部で地面を捉えて速度を把握し、これを歩数と組み合わせて移動した距離を理解する。これによって、巣に戻るためにどのくらい歩く必要があるのかを知るのだ。AntBotはこれを「オプティカルフロー・センサー」と呼ばれるものによってこなす。簡単に言えば、地面がどのくらいの速さで目の前を移動するのかを推測する機能である。

「必要なのは、ふたつの基本情報だけです。進んでいる方向と移動した距離。これだけあれば、帰るときも巣を基準に現在の位置を簡単に推測できるのです」とヴィオレは言う。

アリは、この種の計算を極めて正確に行う必要がある。灼熱の砂漠でミスは許されないからだ。そしてAntBotも素晴らしい精度を達成できることがわかっている。センサー技術のシンプルさを考えると、その精度は驚きの高さである。

精度を探るテストのなかで、AntBotは砂漠アリのように「エサを探し回る」ようプログラムされた。つまり、ある方向にまっすぐ進むのではなく、ジグザグに進むようプログラムされたのだ。

IMAGE: DUPEYROUX ET AL., SCI. ROBOT. 4, EAAU0307 (2019)

上の図を見てほしい。左の図はアリがたどった道筋で、細い線は往路、太くて直線に近い線は巣へと戻る復路である。右の図はAntBotのテスト結果だ（経路上の黒点は、位置を確認するために停まった地点）。

屋外の実験では、AntBotは50フィート（約15m）移動したにもかかわらず、誤差0.5インチ（約1.3cm）以下の精度でスタート地点までの帰り道を推測できた。

マシンヴィジョンやLiDARを補完

このアイデアの先にあるのは、このシステムをロボットの感覚（従来のマシンヴィジョンやLiDARなど）を補完するものとして活用することだ。

マシンヴィジョンとLiDARは、どちらも計算コストとエネルギーコストが高いが、2つのピクセルで紫外線の偏光を監視しているだけのAntBotセンサーははるかに低コストだ。さらに、この種の移動法は外が曇っていても機能する。紫外線は雲を貫通するからだ。

またこのシステムは、現在の自律走行車にとって特に問題となっている「GPSの限界」も補えるかもしれない。論文執筆者のひとりであるジュリアン・セールはこう話す。「都市には金属構造物が多く、磁場が乱れます。この種の視覚センサーを追加することで、自動操縦機能に使える信頼性の高い情報を収集できるのではないかと、われわれは考えているのです」

エネルギー効率のよい「世界の感知方法」

ロボット全般について言えば、このアプローチは既存技術の欠点を克服するアイデアを自然界から得られるという例でもある。進化の原則はエネルギーの無駄を嫌う。生物は通常、生き残るためにエネルギー利用が最小限になるよう最適化されているのだ。

それは砂漠アリも例外ではない。研究者たちが取り組んだのは、エネルギー効率のよい「世界の感知方法」を選び出すことだ。今後も研究者たちは、この方法をさらに洗練させていくことができるだろう。

触覚をもつロボット［日本語版記事］を開発したSynTouchの創業者のひとり、ジェレミー・フィシェル最高技術責任者（CTO）は、「この戦略は非常にうまく機能すると思います。生物学で学んだことを人工世界に取り込めば、自然と同じ戦略を素早く応用できますから」と語る。つまり、こうした研究者たちは、自然選択が長い時間かけて丹念に磨きをかけたシステムをとりあげ、ロボット用に微調整できるわけだ。

だから、灼熱地獄で苦労している砂漠アリたちに感謝しよう。アリたちは気づかないうちに、ロボットがこの巨大で醜い人間世界を移動する手伝いをしていたのだ。