TSUKUBA FUTURE #027：手を創って脳を知る
システム情報系 星野 聖（ほしの きよし） 教授
星野さんの関心事は、ロボットの知能化ではなく、人间の动きを正确に真似る机能です。そのようなロボットは、远隔操作で复雑な仕事を人の代わりに行う场面で役立ちます。たとえば、オペレータの作业环境とロボットとをネットワーク通信でつなぎ、人间が行う动作をロボットが再现するというしくみです。全自动でお任せとはいきませんが、ロボットにさせたい作业を正确かつ临机応変に実行させられます。
これまでに开発したのはロボットハンド、腕と手のロボットです。见た目はいかにも机械ですが、人间の大人の手と同じ大きさ?重さで设计することにこだわりました。そのためには、人间のような器用で复雑な动きをするために不可欠なモーターの数や位置に工夫が必要でした。たとえばロボットハンド１号机?２号机に组み込まれたモーター（関节）はたったの８个。これで手指の多様な动きを作り出します。ユニークなのは指を开闭する动きです。见过ごされがちな动きですが、痴サインのような形など、手话の指文字表现には重要で、これによって身振りでの细かい情报伝达ができます。３号机?４号机では、さらに指先に小さなモーターを付け、薄い纸をめくるなど、より人间らしい作业も可能になりました。腕も、空気圧を使って、速くゆっくり固く柔らかく动くロボットアームを开発しました。
人间の手の动きを认识して指文字をまねるロボットハンド
他人の手の形を见てそれを瞬时に再现する。そのとき人间の脳は、死角になっている部分の情报も补っています。高度な人工知能を组み込んでいないロボットに同じ动作をさせるにはどうすればよいか。星野さんたちのアイデアは、あらかじめ用意した手の形のデータベースからいちばん近い形を选び出させるというものです。研究室のメンバー総出で、考えられる限りの手の形を撮影し、70万件ほどのデータベースを构筑しました。ロボットは人の手の形を捉えると、1秒间に150件という超高速でデータベースと照合し、その中から最も似た形を出力します。
私たちは、周囲の人がしていることを真似るだけで、特别に教わらなくても试行错误によっていろいろな动作を习得します。単なる「见様见真似」ではなく、真似ているうちに动作の本质を理解するのです。人间の动きを真似て、それを再现できるロボットができれば、いろいろな动作をさせるためのプログラムをロボットに与える必要はなくなりますし、定量的には表しにくい职人技なども再现できるはずです。
ヒトの手と同じ重さと大きさにこだわったロボットハンド。
全ての种类の指文字が作れたり、薄く柔らかくて壊れやすい物体を器用に操作できる。
毛笔の笔を持って文字も书ける。
毛笔を握り、达笔で肉と书くロボットハンド
筑波大学に着任する前、星野さんは琉球大学で研究をしていました。冲縄には独特の舞踊の文化があります。地元の人々に诱われて一绪に踊ってみると、踊り方にも作法があり、体を使ったコミュニケーションを感じました。これがとてもかっこよく、脳が手足をどうやって制御しているのか、自分はなぜ彼らのように踊れないのかを突き詰めたくなりました。それがロボットハンドの研究を始めたきっかけです。
脳の研究というと、脳内部の构造を生理学的に探るアプローチが思い浮かびます。これだと、分子レベルの緻密なしくみを调べることはできますが、脳が全体として何をしようとしているのかを理解するのは困难です。一方、星野さんの研究方法は、脳をブラックボックスとして捉え、中身はよくわからなくても、入力と出力の関係から脳がどういう演算をしているのかを数学的にモデル化する、计算论的脳科学というアプローチです。この手法だと、脳の働きを予测することが可能です。脳の一部分を取り除くとどうなるかなどといった実験を実施することはもちろんできませんが、数式ならパラメータを変えることで出力の変化を计算できます。また、ある状态がどのような要因で生じるのかを导くこともでき、病気の诊断などにつながります。
作业効率や高机能化の面では、ロボットを人间の形に似せる必要はありません。けれども、星野さんのこだわりはあくまでも人间の手。义手のような使い方を目指すと、そこははずせないポイントです。そして、谁でも「もう１本手があったら???」と思ったことがあるでしょう。星野さんの考える义手は、そんな时に装着する３本目、４本目の手です。
研究テーマは学生の自主性を尊重している。
手前のフィギュアやトロフィーは国际学会での受赏记念品。
人间の脳は２本の腕を巧みにコントロールしていますが、それぞれ独立した作业はできません。片方が主、もう片方が従として动きます。同时に复数のことをしているようでも、脳の中では、全体として一つの作业をするような指令が出ているのかもしれません。３本目の手が自律的に全く别の作业を担えるなら、それだけで、もう一人分の仕事ができそうです。
千手観音は千本の手で、多くの人を同时に救済すると言われています。これらの手にはそれぞれ目がありますから、観音様が一人で千本の手を操っているのではなく、１本ずつが独立して働くのだと考えられます。星野さんのロボットハンドも、究极的には、同时に多くの作业をこなして人々を助ける、ロボット界の千手観音になるかもしれません。
文責：広報室 サイエンスコミュニケーター