フィンレイ効果と強化学習を用いたソフト生体模倣パンガシウス魚ロボットの設計と制御

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21861 (2022) この記事を引用

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ソフトロボットは、生物を正確に模倣し、生態系への侵入や破壊を最小限に抑えながら環境に統合するための経路を提供します。 柔らかく変形する素材で作られたこれらのロボットは、生き物の体や器官に似た構造特性と動作を備えています。 ただし、統合された作動とセンシング、正確なモデリング、正確な制御の点で開発するのは困難です。 この記事では、パンガシウス魚からインスピレーションを得た、ソフトとリジッドのハイブリッド ロボット魚を紹介します。 このロボットは、サーボモーターによって駆動される柔軟なひれ尾構造を採用し、ロボットの軟体として機能し、魚の尾びれに波状の動きを提供します。 モデリングと制御の課題に対処するために、魚ロボットが泳いで指定された目標に到達するためのモデルフリーの制御戦略として強化学習 (RL) が提案されています。 実際のハードウェアでの実験を通じて RL をトレーニングおよび調査することで、必要なタスクを学習して達成する魚の能力を示します。

水深は人間にとって非常に困難な環境であることが証明されています。 研究者とエンジニアは、この危険な試みを達成するために水中ロボット システムの構築に努めています。 海洋調査や海洋生物の探索から、水中ミッションの実行、サンプル収集、海上および水中の構造物の監視とメンテナンスに至るまで、多くの複雑なタスクを過酷な予測不可能な条件で実行する必要があります。 これらの水上作業は通常、遠隔操作車両 (ROV) や自律型水中車両 (AUV) などの水中車両を使用して実行されます。 ただし、AUV は現在中深度の探査活動に限定されており、ROV は深海底の調査により適していますが、テザリングと手動操縦の要件による制約があります。 さらに、これらのシステムは主に硬い部品で作られているため、操作性、周囲と安全に相互作用する能力、予測できない水生気候への適応性が制限されています1。 バイオミメティクスとソフトロボティクスにおける新しい技術の進歩を活用することで、より自然に動作し、これらの過酷な環境に耐えることができるロボットシステムを構築するための有望なソリューションが提供されます2、3。

さまざまな海洋生物を研究することで、それらが広大な海洋領域に生息し生息することを可能にする特徴についての洞察が得られます。 水中生物の形態、水泳や移動の技術、感覚能力からインスピレーションを得ることは、これらの生物に似た生物インスピレーションを受けたロボット システムの開発に役立ち、これらのロボットを水中用途により適したものにします。 水中生物の泳ぎの動きは、そのような生物の形態学的構造と形状に導かれて、さまざまな移動技術を示しています4。 水生生物の大部分は柔軟な体を持ち、移動に必要な推進力を生み出すために体の変形に依存しています。 魚の水泳動作の最も一般的な分類は、魚の解剖学とその推進器に従って採用されています5。 魚は、体とヒレを異なる波動周波数または振動周波数で動かすことにより、前進、方向転換、および逃走の操作に必要な推力を生成できます。 この分類は主に魚やバトイドの遊泳に関するものですが、クラゲ、カメ、棘皮動物、甲殻類などの他の海洋生物は、ジェット推進、抗力による水泳、匍匐運動など、さまざまなタイプの移動運動を使用します。 さらに、いくつかの研究は、魚の個体および集団の行動、および生体模倣魚ロボットとの社会的相互作用に焦点を当てています6、7、8、9、10。 これらの研究は、魚の行動と相互作用して研究するための魚のようなロボットの使用と、混合表現型の凝集に関与するメカニズムについての洞察を提供するだけでなく、不安の治療や情報伝達などのさらなる社会分析のためのバイオハイブリッド刺激を提供します。