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http://www.hotwired.co.jp/news/news/technology/story/20040119301.html
Lakshmi Sandhana
2004年1月14日 2:00am PT トンボの目、ハチの目、そして多分ミバエの小さな目も――近い将来、小型飛行ロボットが火星などの地球圏外の風景を見る際には、そうした昆虫の目が活躍するかもしれない。
昆虫のきわめて精密な視覚システムをヒントに、科学者たちは現在、米国防総省の国防高等研究計画庁(DARPA)による『生物・生体模倣制御システム』研究プログラムからほぼ全面的な支援を受け、全く新しい種類の無人航空機(UAV)を作ろうとしている。科学者たちは、この新型UAVに、飛行、探査、逃避のほか追跡に至るまで、ほとんどすべての小型昆虫が持つ能力を組み込むつもりだ。
高高度を飛ぶ大型のUAVは、GPSやレーダー技術に基づく探知メカニズムを用いているが、これが翼幅の小さい小型機(2〜3センチのものから、大きくても約90センチの翼幅)になるとこのメカニズムが使えなくなる。小型UAVは、地上近くの低い高度を飛び、複雑な地形の上を進むことになるが、重量はわずか数グラムしかない。こうした小型機の有効搭載量内でレーダーを収めるのは難しく、低空飛行になるとGPSの精度も落ちる――あらゆるビルや低木を自動操縦システムにプログラムすることは不可能だ。
そのうえ、GPSは地球以外の惑星には存在しない。
重量がわずか数グラムで、必要な光学的部品、ハードウェア、ソフトウェアのすべてが組み込まれた高性能の人工視覚システムを作るため、研究者らが目を向けたのは、重さ1ミリグラム以下の脳ですべてを管理する生き物たちだった。
「昆虫は、航空宇宙科学にとって、自然界に存在する着想の源だ。そもそも昆虫は、3億年ほど前に飛行するようになった最初の生物なのだ」と話すのは、オーストラリア国防省防衛科学技術機関(DSTO)の兵器システム部門に所属するジャバーン・チャール氏。チャール氏は、オーストラリア国立大学『視覚科学センター』の所長を務めるM・V・スリニバサン教授と共同で、ミツバチをもとにした、視覚とナビゲーションのシステムの開発に取り組んでいる。
昆虫は360度の全方位的な視野を持つが(人間は全体のおよそ30％しか見えていない)、両目が近接しすぎていて、奥行きに関する確かな情報が認識できない。しかし、だからといってこの生き物たち――脳は微小で目の解像度も低い――が、複雑で入り組んだ環境の中を移動できないということはないのだ。
ここで、光学的流動という概念の、昆虫が世界を知覚する仕組みを理解することがカギとなる。
「原理はごく単純だ。昆虫がまっすぐ飛ぶ場合、その目には、近くにある物体のほうが遠くにあるものよりもずっと速く、ひゅっと通り過ぎていくように映る」とスリニバサン教授は説明する。「したがって物体までの距離は、目に映る像の速度によって推測することができる。つまり速度が大きいほど、物体が近いことになる」
現在この研究チームが開発している航空機のモデルは、小型ビデオカメラを搭載している。カメラが信号を地上の基地局に送ると、基地局では入ってきた映像を分析して光学的流動を計算し、そのうえで無線で適切な指示を送り返す。将来的にこの技術を火星における空中探査に活用できるかどうかを検討するため、今年中に、米航空宇宙局(NASA)で2度にわたる試験が行なわれる予定だ。
一方、米セントアイ社のジェフリー・L・バロウズ最高経営責任者(CEO)は、映像の取得と処理を同時に行なう別のアプローチを用い、光学的流動センサーを開発している。
バロウズCEOが開発した、昆虫の視覚システムに基づく回路とアルゴリズムを駆使した画像処理チップ(写真)は、基本的には高性能の網膜のごとく機能する。バックエンド・プロセッサーにデータを送る前に画像を部分的に「処理」してしまうのだ。これに対して従来の視覚システムは、関連情報を抽出するために、何メガバイトもある大量のデータを、消費電力の大きいプロセッサーで処理しなければならない。
「われわれの画像処理チップはニューラルネットワーク・チップと言えるだろう。ある特定の処理に高度に特化されているものだが」とバロウズCEOは話す。「1秒間に生成する情報量はキロバイト単位だが、1ビットごとの情報の価値はきわめて高く、フレームレートを数千fpsに増加させることになる。これにより、プロセッサーに『Pentium』クラスのCPUでなく、シンプルな8ビットのマイクロ・コントローラーを使用した場合でも、見逃されてしまいがちな事実をとらえることができる」
バロウズCEOは、趣味の模型作りで一般的に使われる部品を用い、完全な視覚システム――画像処理チップとすべてのプロセッサーを含む――を備える、おもちゃのような飛行機(写真)を製作した。システムの消費電力はごくわずかで、各センサーの重さは約5グラム以下、飛行機全体の重さもたった99グラム程度に抑えられている。
開発グループではこれまでに、飛行機を一定の高度を保って飛行させるほか、上昇・下降をはじめ、木や建物との衝突を避けることを可能にした。現在は、トンネルの中を飛べるようにしようと研究中だ。現段階のセンサーはきわめて原始的だが、バロウズCEOは、赤外線および紫外線観測を可能にする回路を備えた、高性能のインテリジェント・チップの開発を考えている。
「われわれの人工昆虫視覚システムは現在、ミバエの1〜5％ほどの能力しかない」とバロウズCEOは言う。「『ムーアの法則』に倣って画像処理機器の画素数を増やすのではなく、ゆくゆくは、ピクセル当たりの情報の処理回路数を増加させる。それにより画像処理チップは、より有効な情報を取り込むことができる。『1チップ当たりテラバイト単位の光学情報』という規模は、今日不可能なことではない」
この技術は軍事目的における利用のほか、おびただしい商業的な用途も見込める。いくつか例を挙げれば、たとえば、インテリジェント車載システム、自律型ロボット、インテリジェントおもちゃ、視覚障害者を助けるパノラマ画像処理システムやセンサーなどだ。
オーストラリア国立大学の神経生物学者、エイドリアン・ホリッジ教授は、今後5年以内に、UAVが主要な航空貨物輸送ルートを飛ぶことになると考えている
またDSTOのチャール氏も、将来的には、まだまだ興味深い進展がもたらされるとみている。
「15年以内には、収集、清掃、監視といった、ミツバチと同様の仕事や動作をする、極小の航空機が登場すると思う」とチャール氏は話した。
[日本語版：近藤尚子／多々良和臣]
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