情報処理学会 インタラクション 2017
IPSJ Interaction 20173-406-61
2017/3/2

MitsuDomoe: バーチャル生態系の捕食連鎖シミュレーション体験システム（第 1 報）
小島健三†1

大島登志一†1

概要：本研究では，多数の小さな仮想生物によるバーチャル生態系を構成し，単純な行動アルゴリズムによって，3 つの種が循環的な捕食連鎖をなすシミュレータを試作した．生物学への興味を引き出す教養娯楽に供することを目的とし，システムの実現にあたっては，ガラス製の実験器具をディスプレイ装置に組み込むなど，実際の理科の実験のような体験を楽しめるエデュテインメントを目指した．今回のプロトタイプシステムでは，現実の現象を正確にシミュレーションすることより，仮想生物群の動態を小さなシャーレの中に表示して体験できることと，HMD を用いてミクロな世界の中に入り込んで体験できることとを備えたバーチャルな実験システムのフレームワークを試行することを重視した．

MitsuDomoe: A Virtual Ecosystem Simulation in a Petri Dish (1)KENZO KOJIMA†1TOSHIKAZU OHSHIMA†1Abstract: We propose a new use of virtual reality for biological education. The purpose is to create a framework system ofinteractive edutainment for learning about nature and human by using virtual reality. The MitsuDomoe is an interactive ecosystemsimulator of virtual micro lives in a petri dish. The virtual ecosystem consists of three species of primitive artificial lives.
MitsuDomoe simulates predation chain of the virtual species in the petri dish. A user can interact with the ecosystem through theinteractive petri dish display, which consists of a small LCD module with petri dishes on it and a pipette-like device. Stereoscopic
feature enhances understanding of dynamics in the ecosystem. Diffractive pseudo stereoscopic glasses provide viewpointindependent observation. A user can also experience immersive observation by using an immersive microscope subsystem, which
consists of an HMD and a locomotion interface in seated position.

1. はじめに製の球体容器に密閉したものである．密閉後は，光をあてる以外は外界と遮断された状態となっている．この実験は，本研究では，多数の小さな仮想生物によるバーチャル生生存に適した環境条件のバランスの重要性を理解する上で態系を構成し，単純な行動アルゴリズムによって，3 つの非常に有効であるとして，中学校理科第 2 分野の教材とし種が循環的な捕食連鎖をなすシミュレータを試作した．生て導入する試み[1]もなされている．

物学への興味を引き出す教養娯楽に供することを目的とし，本研究も同様の課題意識に基づいており，コンピュータシステムの実現にあたっては，図 1 に示すようにガラス製による生態系シミュレーションに実際の実験に近いインタの実験器具をディスプレイ装置に組み込むなど，実際の理フェースを提供することで，体験的学習効果の高いバーチ科の実験のような体験を楽しめるエデュテインメントを目ャル実験教材を提案するものである．

指した．今回のプロトタイプシステムでは，現実の現象を正確にシミュレーションすることより，仮想生物群の動態を小さなシャーレの中に表示して体験できることと，HMDを用いてミクロな世界の中に入り込んで体験できることとを備えたバーチャルな実験システムのフレームワークを試行することを重視した．
実際の生物による生態系のシミュレーションとしては，地球上の生態系を閉鎖された循環系としてモデル化した「エコボール」[1]という実験的展示がある．これは，群馬県立自然史博物館において制作された展示作品で，水と砂、空気，および複数種の生物（植物と水棲生物）をアクリル

図1

MitsuDomoe システムでの体験の様子

Figure 1

Appearance of MitsuDomoe system†1 立命館大学映像学部
Ritsumeikan University© 2017 Information Processing Society of Japan872

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2. 生態系のシミュレーション
2.1 関連研究
コンピュータ上で生物的な挙動をシミュレーションすることについては，計算機科学の歴史とともにさまざまな研究がなされてきている．セルオートマトン[2]を基にした
コンウェイの「ライフゲーム」[3]では，格子状のセル空間

図3の一つ一つが生物に見立てられ，単純な規則に基づき隣接

Figure 3

ライフサイクルLife cycle

するセルの状態に応じて「生」と「死」の状態変化が発生する．結果，実世界の生態系のように複雑な動態を示すもこのライフサイクルは，最長の寿命を全うする基底の状態遷移を表す．ライフサイクルの「活動期」において，行のである．
また，生態学のモデルとしてロトカ・ヴォルテラの競争動の状態遷移を図 4 のように定義する．

モデルが提唱されている[4]．このモデルでは，「捕食者」と「被食者」の役割の異なる 2 種間の個体数増減の動態が表されている．前述のエコボールでは，生態系の構成要素が水草＝「生産者」水棲動物＝「消費者」砂＝「分解者」という全く役割の異なる 3 種であると呼称されている．
一方，コンピュータグラフィックスの分野では，魚や鳥の群れをモデル化し，boids と命名される仮想生物の自律的な挙動を再現するアルゴリズム[5]が発表されている．
図 4

本研究では，ロトカ・ヴォルテラモデルやエコボールなFigure 4

ど全く役割の異なる生物から構成される生態系ではなく，存在として同格で同じ挙動アルゴリズムを持たせた 3 種の仮想生物種の各種について，図 2 に示すように，捕食対象の「獲物」種と逆に捕食されてしまう「天敵」種を循環的に設定した．本来，植物と動物のようにメカニズムが大きく異なるものであっても，生態系の構成要素は，サイクル行動の状態遷移State transition of behavior

各種の個体はそれぞれのパラメータに従って領域内を動き回り，天敵から逃避しながら獲物を捕食する．寿命に関わらず，天敵に捕食されれば天寿として全うする．また，一定の成長を経て，十分な捕食状態において増殖を行う．の一部として本質的には同等の一個の生命としてモデル化すべきと考えたのである．同じ挙動アルゴリズムでも，設定によって，肉食動物のようであったり，草食動物のようであったりするようなバリエーションを実現できるよう，モデル化を行った．

図5

視野範囲視野Figure 5

View range

各種について設定すべきパラメータは詳細には多くなるが，ユーザが任意に指定できるパラメータとして，以下の
図2
Figure 2

捕食連鎖
Predation cycle

2.2 MitsuDomoe の生態系モデル
本システムの生物種には，2 つのレイヤの状態遷移を．
1)

ライフサイクル

2)

行動状態ライフサイクルの状態遷移を図 3 に示す．
「誕生」から経時的に「成長・老衰」を経る中で「増殖」によって種を増やし，寿命を迎えて「消滅」する，という状態遷移である．

© 2017 Information Processing Society of Japan

変更可能なパラメータ情報は下記 5 種とした．図 5 に視野範囲について示す．
a) 寿命b) 初期個体数c) 追跡・逃避時の移動速度d) 獲物や天敵を検知する視野範囲（視野角，視認距離）e) 探索行動時の移動速度
このほか，主要なパラメータとして，各種に「健康値」を設定する．健康値はさらに，誕生時の初期値，捕食者に与える値，増殖に必要な値，行動時の消費値などがある．

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3. システム構成
システム全体の外観を図 6 に示す．システム構成を図 7に示す．システムは大きくデスクトップ・インタフェースと没入型 VR インタフェースとに分けられる．デスクトップ・インタフェースは，図 8 に示すように，シャーレを備えた液晶ディスプレイモジュールとピペット・デバイスとして Fastrak スタイラスから構成される．
図9

複数ユーザによる体験の様子

Figure 9

Multi-user experience

本システムでは，主に教育用途という所期の目的から，図 9 のように複数のユーザによる利用を想定している．図8 に見るように，小さなシャーレの中に多くの対象物が表示されるので，各種ごとに奥行き感を変えて表示することは，その分布状態や活動動態を把握する上で有効と考えられる．そのため，複数のユーザによる同時体験も鑑みて，
図6
Figure 6システムの外観Appearance of the system

視点非依存の立体表示機能を採用した．ChromaDepth 3D
lass（米 Chromatek 社）は，回折格子による擬似的な立体観察用の眼鏡であり，表示対象物の色の波長によって奥行き感が変わって知覚されるというものである．これによって，見る位置によらず奥行きを感じられ，3 種に割り当てた色により，3 層に分かれてその分布を把握しやすくすることを実現している．
また，没入型 VR インタフェースでは，視野角約 110 度でシミュレーション空間に入り込んだように臨場感のある観察が可能である（図 10）．また，座位型ロコモーション
インタフェース Virtual ISU (Intuitive Striding Unit) [6]によって，座ったまま歩くような足の動作でシミュレーション空間内を移動することが可能となっている．

図7
Figure 7

システム構成図
System Configuration

図 10
Figure 10

図8

VR 体験映像VR experience through HMD

デスクトップ・インタフェース「シャーレ・ディスプレイ」
Figure 8

Petri dish display

図 11

動物型のモデルによるシミュレーション

Figure 11© 2017 Information Processing Society of Japan

Simulation with creature models874

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4. 実験と考察
まず，各種のパラメータを同じ値に統一して数回の試行を行い，個体数変化がほぼ同じであることを確認した．次3-406-61
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謝辞

本プロジェクトに協力されている立命館大学映像学部の大島研究室各位に感謝します．本研究は，JSPS 科
研費 16K00288, 24220004 の助成を受けたものです．に，各種のパラメータをそれぞれ，「猫」「鶏」「虫（ハエ）」参考文献を想定した値に設定した．弱った動物に群がる虫という設[1] 石井照久, 篠木碧: 中学校理科教材の開発研究 簡易エコボール教材の開発と実践, 秋田大学教育文化学部教育実践研究
紀要, 第 31 号, pp. 119 – 140 (2009)[2] Schiff, J. L. (著), 梅田博司ほか (訳): セルオートマトン, 共立出版 (2011)[3] Martin Gardner: MATHEMATICAL GAMES - The fantastic
combinations of John Conway's new solitaire game "life", ScientificAmerican, No. 223, pp. 120 - 123 (1970)[4] 森田善久: 生物モデルのカオス, 朝倉書店 (1996)[5] Reynolds, C. W. : Flocks, Herds, and Schools: A distributedbehavioral Model, Computer Graphics, Vol. 21, No. 4, pp. 25 - 34
(1987)[6] Ohshima, T., Ishihara, H. and Shibata, R. : Virtual ISU: Locomotion
Interface for Immersive VR gaming in Seated Position, VRIC'16:
Proc. of the 2016 Virtual Reality International Conference, DOI:
10.1145/2927929.2927941 (2016)

定は，多分に誇張したものと言わざるを得ないが，今回はプロトタイプシステムの機能の試行実験ということで分かりやすさを優先した．この評価実験では，同一のシンプルな挙動アルゴリズムで肉食動物的であったり草食動物的であったりという，幅広い挙動が再現できており，直感的にそのように推測されうるか，という点を測ることとした．
本実験ではさらに，図 10 に示すような具体的な動物の形態を持たないオブジェクトによる体験と併せて，図 11 に示すように意図する動物形状のオブジェクトによる体験を行い，挙動だけで種別を推測できるかの比較を行った．今回の実験では，ひとまず特徴のはっきりしたステレオタイ
プ的な生物種の設定に関して，パラメータの調整によってある程度「らしい」挙動を模倣できることが確認できた．

5. むすび生態系のシミュレーションであるので，平衡状態を再現できることを期待しているが，種によって異なるパラメー
タを設定した場合，数分程度でバランスが崩れる状態であり，モデル化が適切であるかは，理論的にも詰めながらさらに実験を重ねる必要がある．実験器具を模したインタフ
ェースの使い勝手の評価はこれからである．
むしろ，そのような生態系の動態シミュレーションやそのモデル化の実験を行うためのフレームワークやユーザインタフェースの実現を目標として本研究を進めていく計画
であり，生物学学習の観点から小中学生や教員にも簡便に使いやすいものになるよう取り組んでいく．

© 2017 Information Processing Society of Japan875