ミミズやヘビ、クラゲなどの無脊椎動物の動きが、柔軟な「ソフト」ロボットの次世代に着想を与える可能性があります。
中枢神経がないクラゲは、ソフトロボットシステムの制御に関する分散型理論の構築に取り組む、MITのある学生にも着想を与えています。
こうした新たな制御戦略により、ソフトロボットを、手術器具や捜索救助活動など、狭い場所や繊細な環境で活用できる可能性があります。
フンカル・アルベライス・ムヒカはスペイン出身です。スペインではタコは一般的な料理の食材です。しかし、アルベライスはソフトロボット理論の研究を通じて、タコや似た生き物を別の視点から捉えています。
タコの神経の半分以上は8本の腕に分布し、それぞれがある程度の自律性を備えています。この分散型の感知・情報処理システムに関心を持ったアルベライスは、センサーと計算機能を組み込んだ人工システムに分散型知能を設計する方法を研究しています。MITでは応用数学を専攻し、今秋の博士号取得を目前に、最適な分散制御と状態推定の基礎に取り組んでいます。
彼女は、タコやクラゲなどの無脊椎動物が持つ生物学的な知能に着想を得ています。最終的には、手術器具や捜索救助活動など、狭い場所や繊細な環境で活用できる柔軟な「ソフト」ロボットのために、新たな制御戦略を設計することを目指しています。
「ソフトロボットは柔らかいため、さまざまな環境に動的に適応できます。ミミズやヘビ、クラゲを思い浮かべ、その動きや適応能力を脊椎動物と比べてみてください」とアルベライスは言います。「これは身体に宿る知能の興味深い表れです。硬い骨格がないことで特定の用途に利点が生まれ、現実世界の不確実性にもより効率的に対処できます。しかし、この柔軟性が増すことで、システム理論上の新たな課題も生じます。」
生物界では、「コントローラー」は通常、脳と中枢神経系に結び付けられています。脳と中枢神経系は筋肉に運動指令を送り、動きを生み出します。クラゲなど一部の柔らかい生物には、中枢神経系や脳がありません。この観察に着想を得て、彼女は感覚情報を分散して共有することでソフトロボットシステムを制御する理論の構築に取り組んでいます。
「ロボットの身体全体にセンサーと駆動装置が分散し、搭載された計算能力にも限りがある場合、中央集権型の知能を実装するのは難しいかもしれません」と彼女は言います。「そこで必要になるのが、感覚情報を局所的にしか共有しなくても、望ましい全体的な動作を保証する分散型の仕組みです。クラゲなど一部の生物システムは、分散型制御アーキテクチャの見事な例です。中枢の脳がなくても移動できます。これは、人間が作った機械で実現できることと比べると、とても興味深いものです。」
MITへの円滑な移行
サン・セバスティアンにあるナバラ大学での大学院課程を経て、彼女はMITの教授であるジョン・ブッシュと流体力学の研究に取り組みました。2015年、ブッシュは液滴の相互作用を調べるため、アルベライスを客員学生としてMITに招きました。これが、2018年に共同で発表した論文の『Physical Review Fluids』誌への掲載につながり、彼女はMITで博士号取得を目指すことになりました。
2018年、彼女の博士課程の研究は学際的な社会技術システム研究センター（SSRC）に移り、現在はアリ・ジャドババイ教授の指導を受けています。同教授はJR東日本工学教授で、土木・環境工学科長を務めています。また、工学部の副学部長であるアネット・「ペコ」・ホソイ教授も指導にあたっています。機械工学のニール・アンド・ジェーン・パパラルド教授であり、応用数学の教授でもあります。アルベライスは、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の制御・動的システム・計算センター副所長を務めるバッサム・バミエとも定期的に共同研究をしています。この指導教員チームと働くことで、過去5年間に関心を寄せてきた学際的な研究プロジェクトを探究する自由が得られると、彼女は話します。
例えば、時空間ダイナミクスを持つシステム向けに新たな最適制御器と推定器を設計し、システムを最適に制御するために必要な感覚フィードバック通信のトポロジーを根本から理解するため、システム理論に基づく手法を用いています。ソフトロボットへの応用では、ロボットの「筋肉」それぞれを最も効果的に動かすうえで、どの感覚測定が重要かを順位付けすることに当たります。各アクチュエーターが最も近い感覚測定にしかアクセスできない場合、ロボットの性能は低下するのでしょうか。彼女の研究は、空間的に分散したシステムにおける閉ループ性能、不確実性、複雑さの間のトレードオフを明らかにしています。
「機械の自律性、システム理論、生物学的知能の間にある隔たりを埋める決意です」と彼女は言います。
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2年間のシュミット・サイエンス・フェローシップは、若手研究者が大学院での研究とは異なる分野で博士研究員として研究するための資金を提供します。この制度により、アルベライスは卒業後、生物の知能と機械知能が交わる領域をさらに探究できます。
彼女はプリンストン大学でナオミ・レナード教授とともに博士研究員として過ごし、システム生物学、コンピューター科学、ロボット工学の研究者と協力して、生物と人工の集団システムの信頼性と頑健性を探究する予定です。特に、生物システムが異なる環境に効率よく適応する仕組みを学び、その知見を人工システムに応用したいと考えています。対象には、自律機械のようにノイズや不確実性に弱く、それが安全上の問題につながるシステムも含まれます。
「システム理論、計算、（神経）生物学の実りある共生によって、自律型・知能型機械に前例のない革命が近づいていると予見しています」と彼女は言います。
知識を次へつなぐ
アルベライスはスペインで育ち、両親より恵まれた教育を受けられることの特権を強く意識していました。父親は家族を養うために働きながら、独学で経済学の学位を取得しました。娘は父親の粘り強さを受け継ぎました。
「両親が経験した苦労によって、独学、生涯学習、批判的思考を大切にするようになりました」と彼女は言います。「両親はその価値観を私に伝えてくれたので、私は好奇心と粘り強さを持ち、科学に情熱を抱き、あらゆる教育の機会をつかもうとする人に育ちました。」
この姿勢をほかの人にも伝えたいと考え、彼女は指導や資源を得られないSTEM分野の学生を支援しています。「あらゆる場所で才能を伸ばすべきだと強く信じています。メンタリングは、STEM分野で十分に代表されていないマイノリティの人々がその道に進むよう促す重要な原動力になり得ます」と彼女は言います。
STEM分野における女性の支援者として、彼女はMIT大学院女性協会（GWAMIT）とMIT女性数学者の会の執行委員会に所属し、さまざまなパネルディスカッションやワークショップにも参加しています。また、MIT博物館のガールズ・デーなどのイベントで、子ども向けの実演実験も行っています。
「科学者には、自分たちの知識を共有し、科学的発見とその影響について社会に伝え、研究の価値と研究への投資の必要性に対する認識を高める責任があります。」
アルベライスは、ウイルスの数理モデルに関する講演など、MITの新型コロナウイルス感染症に関する啓発活動も支援しています。また、かつての指導者ジョン・ブッシュが開発したウイルスの数理モデルに関する講演の内容を含む新型コロナウイルス関連の活動を支援し、バスク語に翻訳したのが、MIT新型コロナウイルス感染症・屋内安全アプリです。
STEM分野の知識を次の世代へ伝えたいという思いは、MITでの教育のおかげだと彼女は考えています。
「MITで過ごした時間は、これまでの人生で最高の経験の一つです。学問、仕事、個人として大きく成長できました」と彼女は言います。「共同研究や学際的な研究を好むMITの姿勢、知的な課題への魅力、そして人類の利益のために科学技術を前進させようとする熱意を、私も共有しています。」
