この10年間、科学者たちは、漁業の健全性を追跡し、海洋生息環境や種を調査するため、海の各所を地図化・監視する能力を高めた水中ロボットを次々と投入してきた。一般に、こうしたロボットは、人間の技術者が個別に割り当てた低レベルの作業を実行するには有効だが、その指示を作成する作業は技術者にとって退屈で時間のかかるプロセスである。
自律型水中ビークル（AUV）を展開する際、技術者は多くの時間を、ロボットにミッション計画を実行させるためのスクリプト、つまり低レベルのコマンドを書くことに費やしている。今回、MITの技術者たちが開発した新たなプログラミング手法により、ロボットはより「認知的」な能力を得る。人間が高レベルの目標を指定し、ロボットがその達成方法を判断するための高レベルの意思決定を行えるようになる。
たとえば技術者は、探索する目標地点の一覧と時間的制約をロボットに与え、さらに海底から一定の距離を保つといった物理的な指示を加えることができる。MITチームが考案したシステムを使えば、ロボットはミッションを計画し、定められた時間内にどの地点をどの順序で探索するかを選べる。予期しない出来事によってタスクを完了できなくなった場合は、そのタスクを取りやめたり、故障から回復するためにハードウェアを再構成したりすることも、その場で判断できる。
3月、チームはオーストラリア西岸沖の調査航海で、自律型ミッション計画システムを試験した。3週間にわたり、MITの技術者たちは、ウッズホール海洋研究所、オーストラリア・フィールドロボティクスセンター、ロードアイランド大学などのグループとともに、複数のクラスのAUVと、海洋環境を地図化するために協調して作業する能力を試験した。
MITの研究者たちは、自律型水中グライダーでシステムを試験し、より高レベルの指令を受けながら、ほかの複数の自律型ビークルの間で安全に運用できることを実証した。このシステムを使ったグライダーは、最も重要な科学的目標を達成しつつ、ほかのビークルの妨げにならないようミッション計画を調整できた。別のビークルが特定の区域の探索に予想以上の時間を要している場合、MITのシステムを使うグライダーは優先順位を組み替え、衝突の可能性を避けるために現在地にとどまる時間を延ばすことを選んだ。
「私たちが示したかったのは、こうしたビークルが人間の支援なしに、自らミッションを計画し、実行し、適応させ、再計画できるということです」と、MITの航空宇宙工学教授で、ミッション計画システムの主たる開発者であるブライアン・ウィリアムズは語る。「このシステムによって、障害物競走のようにサンゴ礁の周囲を端から端まで安全にジグザグ走行できることを示しました。」
ウィリアムズと同僚たちは、6月にイスラエルで開催される自動計画・スケジューリング国際会議で、ミッション計画システムを発表する予定だ。
システム、準備完了
自律型ミッション計画システムの開発にあたり、ウィリアムズのグループは「スター・トレック」シリーズと、架空の宇宙船エンタープライズのトップダウン式指令センターから着想を得た。ウィリアムズはこのシステムをそれになぞらえてモデル化し、命名した。
架空の宇宙船が階層的な乗組員によって運用されるのと同様に、ウィリアムズのエンタープライズ・システムには、意思決定者の階層が組み込まれている。たとえば、システムの一つの構成要素は「船長」として機能し、全体的なミッションを計画するために、どこをいつ探索するかという高レベルの判断を下す。別の構成要素は「航海士」として、ミッション目標を達成するための経路を計画する。最後の構成要素は「医師」または「技術者」として、自律的に問題を診断し、修復する。
「システムには、『この科学調査地点か、あちらの地点のどちらかに行って地図を作成する』や、『音響モデムか衛星リンクで通信する』といった選択肢を与えられます」とウィリアムズは説明する。「システムはその選択を行いますが、すべての時間的制約を満たし、途中で何にも衝突しないことを確認します。つまり、環境に適応する能力があるのです。」
海中での自律性
このシステムは、ウィリアムズが火星探査機マーズ・オブザーバーの喪失後にNASA向けに開発したシステムに似ている。同探査機は、1993年に予定されていた火星周回軌道への投入の数日前、NASAとの通信が途絶えた。
「地球には、診断と修理の専門知識を持ち、探査機を救う準備ができていた人間のオペレーターがいましたが、探査機と通信できませんでした」とウィリアムズは振り返る。「その後NASAは、技術者のように認知レベルで推論できる一方で、探査機に搭載されるシステムが必要だと認識しました。」
当時NASAエイムズ研究センターで働いていたウィリアムズは、人間の支援なしに探査機が問題を診断・修復できるようにする自律システムの開発を任された。このシステムはNASAのディープ・スペース1探査機で試験され、1999年の小惑星フライバイを成功させた。
「それは、深宇宙で目標指向型の自律性を実証する初めての機会でした」とウィリアムズは言う。「今度は海中で同じことを行う機会でした。」
より高レベルの意思決定をロボットに委ねることで、技術者は全体戦略について考える余地を得る一方、AUVは具体的なミッション計画を自ら決定できるとウィリアムズは述べる。こうしたシステムは、調査航海に必要な運用チームの規模を縮小する可能性もある。そして科学的な観点から最も重要なのは、自律計画システムによって、通常なら通過できない場所をロボットが探索できるようになる可能性があることだ。たとえば自律システムがあれば、ロボットは技術者と常時連絡を取る必要がなくなり、ビークルは海のより遠隔地にある奥まった場所を探索できる。
「現在の海洋を考えてみると、地球を周回する衛星を利用できますが、海面下の深いところまではほとんど探査できません」とウィリアムズは言う。「海上船舶を送り、そこから自律型ビークルを1台送り出すこともできますが、それでは見える範囲が限られます。この技術は、海洋を観測するまったく新しい方法を提供できるので、期待が持てます。」
この研究は、シュミット・オーシャン・サイエンスから一部資金提供を受けた。基盤となる技術は、ボーイング社、キーク宇宙科学研究所、国防高等研究計画局、NASAから一部支援を受けた。
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
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著者：ジェニファー・チューはMIT Newsのゲスト寄稿者。
画像：ヒューマノイドロボットの手がスイッチ盤を操作している。REUTERS/Fabrizio Bensch。
