人間とは、動物とはなんだろう？
～動物理解のためのロボティクス～
大阪大学大学院

工学研究科 フューチャーイノベーションセンター
助教 増田容一

動物身体に眠る「異世界の設計原理」を学ぶ（提供：JRA競走馬総合研究所様）

ロボット学会学術講演会

OF3：このロボットがすごい2022

2022/9/9

自己紹介
大阪大学

フューチャーイノベーションセンター

増田容一

非自明な現象が大好き

死体魚••

助教

人間・動物の仕組みを知りたい！

動力なし

Passive propulsion in vortex wakes
Collins, Steven H., Martijn Wisse, and Andy Ruina. "A three-dimensional passive-dynamic walking robot with two legs and knees." TheInternational Journal of Robotics Research 20.7 (2001): 607-615.

2

動物のしくみ

興味をもったきっかけ

指の付け根の関節はどこ？

きっかけは「自分のこと、こんなに知らなかったのか！」
10年前に拝見：山中俊治先生のブログ「デザインの骨格」2011年2月11日 手を描く13

なぜ動物に興味があるの？

野生動物は想像を超えてくる 実現できれば思わぬ課題解決に繋がるはず
Youtube：Snow Leopard Hunting | Planet Earth | BBC Earth4

今日のお話（提供：国立科学博物館，シマウマの後肢）※自然死した個体を撮影しています

やりたいこと動物が巧みに・しなやかに難しさ（提供：JRA競走馬総合研究所様）

動く内部が見えない・計測できない

動き回るしくみを調べたい

面白さ

アプローチ

「異世界の設計原理」
不思議な動き なぜ？

ロボットで再現して理解する動物を再現して理解するロボット生物学（Robotics-inspired Biology）の世界

5３つの事例

反射の連鎖

腱と骨格筋肉の同期

３つの事例

反射の連鎖

腱と骨格筋肉の同期動物の話

運動パターン

各脚と筋肉を協調運動パターンを発現

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動物の話

適応的な歩容選択

Issue“Dog walking styles - Animal Gaits for Animators”https://www.youtube.com/watch?v=PVvZKcKBTtg

多様なパターンはどこから生まれる？
シンプルに再現 余分な要素を削り 運動原理を抽出する

9無脳歩行現象の発見
Y. Masuda, K. Naniwa, M. Ishikawa, K. Osuka, “Brainless Walking: Animal Gaits
Emerge From an Actuator Characteristic.’’ Frontiers in Robotics and AI, 2021.

劇的にシンプル 計算機なしの適応歩行

10無脳歩行現象の発見

コントローラなし 自律的に四肢が協調

11無脳歩行現象の発見

2.5Vを印加 → walk12

無脳歩行現象の発見

4Vを印加 → gallop
13無脳歩行現象の発見

walkgallop

歩容を自律生成 走行速度に応じて遷移制御してないのに適応的なパターン生成...なぜ？

14ここでタネ明かし

パターン生成のカギはモータの「弱さ」
負ける
クランク
モータ
スライダ
押されるとY. Masuda, K. Naniwa, M. Ishikawa, K. Osuka, “Brainless Walking: Animal Gaits Emerge From an Actuator
Characteristic.’’ Frontiers in Robotics and AI, 2021.

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詳しいしくみ「弱い」モータの場合十分に「強い」モータの場合
外乱トルク
クランク
スライダ

環境反力

はやい

回転速度
おそい
～入力電圧

モータ
モータ位相

脚

モータの電気的受動性

モータの・ロータ慣性・粘性抵抗・インピーダンスが無視できるとき…

状態FB
無負荷時
回転速度

外乱トルク

押されると負ける「弱さ」がモータ位相を調節している16

４脚から他の生物へ②負ける ①押されると×モータ

リンク

身体構造 × モータの弱さ＝ 生物の運動
身体構造を変化させるとどうなるか？

ヘビ

ウナギ

ミミズ

17

４脚から他種の生物へ

ヘビ

ミミズ

ウナギ

田中颯樹君の成果

増田，石川，石黒，コントローラをもたない無脳ヘビ型ロボットの適応的運動生成，DAS2018
Masuda, Ishikawa, Ishiguro “Weak DC Motors Generate Earthworm Locomotion Without a Brain" Living Machine 2018.
田中, 増田, 石川, 「アクチュエータの弱さによる跳躍安定化メカニズム」, 計測自動制御学会論文集, 2019.

18

ひとやすみ②負ける ①押されるとモータ力が出ずに止まってしまう

リンク

モータの「弱さ」が制御になっていた

実は筋肉も同じ

もちろん人工筋も…
（またあとで）19

３つの事例

反射の連鎖

腱と骨格筋肉の同期

反射の連鎖による歩行

計算機なし

空気圧のみのメカニカル実装で反射回路を探索

Y. Masuda, K. Miyashita, K. Yamagishi, M. Ishikawa, and K. Hosoda, “Brainless Running: A Quasi-quadruped Robot with Decentralized Spinal Reflexes by Solely
Mechanical Devices. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

反射回路の探索（生物学のヒントをもとに）膝から腰への反射

腰から膝への反射
相互興奮抑制腰-膝間でクロスする経路を手掛かりに空気圧回路を探索

Y. Masuda, K. Miyashita, K. Yamagishi, M. Ishikawa, and K. Hosoda, “Brainless Running: A Quasi-quadruped Robot with Decentralized Spinal Reflexes by Solely
Mechanical Devices. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

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反射の連鎖による歩行計算機なし 入力は一定空気圧のみ 反射が連鎖 歩容と脚軌道を創発
Y. Masuda, K. Miyashita, K. Yamagishi, M. Ishikawa, and K. Hosoda, “Brainless Running: A Quasi-quadruped Robot with Decentralized Spinal Reflexes by Solely
Mechanical Devices. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

反射の連鎖による歩行

若本君の成果

計算機なし

反射の連鎖のみで歩容と脚軌道を創発

若本，増田，郡司，福原，多田隈，石川「 マイコンレスで歩行運動を創発するネコ後肢型ロボットの開発」第３９回日本ロボット学会学術講演会，2C4-06，オ
ンライン上，１０月，2021.

反射の連鎖による歩行

谷川君の成果「筋肉-神経」特性を再現するプラットフォーム

生物学の仮説検証へ

T. Tanikawa, Y. Masuda, M. Ishikawa, “A Reciprocal Excitatory Reflex Between Extensors Reproduces the Prolongation of Stance Phase in Walking Cats: Analysis on a
Robotic Platform.’’ Frontiers in Neurorobotics, 2021.

25

反射の連鎖による歩行「筋肉-神経」特性を再現するプラットフォーム

生物学の仮説検証へ

T. Tanikawa, Y. Masuda, M. Ishikawa, “A Reciprocal Excitatory Reflex Between Extensors Reproduces the Prolongation of Stance Phase in Walking Cats: Analysis on a
Robotic Platform.’’ Frontiers in Neurorobotics, 2021.

ロボット生物学の注意点
抽象・シンプル原理抽出と納得のためのモデル

モデルのグラデーション

リアル・複雑仮説検証用のモデル

初期探索用の中間モデル

本研究
単純すぎて現実と乖離（それでもまだ複雑）

比較

比較

複雑すぎ何が本質？

モデル間の差異を捉えないと科学できない

他研究（異なる原理・同じ現象）

歩行は複雑

比較

結局どのモデルが妥当なの？

生物は多元的（身体・反射・脳など複数要因） 比較してようやく理解の一丁目

３つの事例反射の連鎖

腱と骨格筋肉の同期

解剖における気付き29（提供：国立科学博物館，シマウマの後肢，トナカイの前肢）※自然死した個体を撮影しています

脚が接地した瞬間に体重支持の機能が発現

ウマ後肢のロボット再現
腱の非線形弾性を再現
ボルト
紐股硬いバネ膝腓腹筋柔いバネ浅趾屈筋
ナット

各部の質量を再現
足首

第一趾関節
蹄関節

深趾屈筋長趾伸筋
第三腓骨筋

骨間筋
宮下君の成果K. Miyashita, Y. Masuda, M. Gunji, A.Fukuhara, K. Tadakuma, and M. Ishikawa, “Emergence of Swing-to-Stance Transition fromInterlocking Mechanism in Horse Hindlimb. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

30

ロボット胴体31

股関節

サーボモータ

大腿骨

正弦波を入力宮下君の成果 6.14 kgウマ後肢のロボット再現

足先の伸展により腱が引かれ

32

脚全体が伸展自動的にロック

K. Miyashita, Y. Masuda, M. Gunji, A.Fukuhara, K. Tadakuma, and M. Ishikawa, “Emergence of Swing-to-Stance Transition fromInterlocking Mechanism in Horse Hindlimb. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

ウマ後肢のロボット再現

股関節を振るだけで体重を支持

脚軌道を創発K. Miyashita, Y. Masuda, M. Gunji, A.Fukuhara, K. Tadakuma, and M. Ishikawa, “Emergence of Swing-to-Stance Transition fromInterlocking Mechanism in Horse Hindlimb. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

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ウマ後肢のロボット再現

股関節を振るだけで体重を支持

宮下君の成果 0.125x

脚軌道を創発K. Miyashita, Y. Masuda, M. Gunji, A.Fukuhara, K. Tadakuma, and M. Ishikawa, “Emergence of Swing-to-Stance Transition fromInterlocking Mechanism in Horse Hindlimb. ’’ IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2020.

34

肩肘浅指屈筋

310 mm橈側手根屈筋
手首第一指関節
蹄関節
120 mm橈側手根伸筋

深指屈筋
総指伸筋
骨間筋

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サーボモータ

宮下君の成果肩甲骨36

0.25x

足先慣性をうまく活用

肩関節を振るだけで脚軌道を創発

37

小林君の成果

ギャロップ走行を準備中

38
38

目標

生物学とロボティクス 研究プロセスを融合すれば相互扶助を超えて 新しい分野が誕生する…かも39

生物学に基づくロボット実装

Bio-inspired
Robotics
G. W. Hiebert, 1996.

神経生理学・解剖学に基づく知見

抑制
興奮ロボットを含む「動物」の学問「計算なき知能」をロボット実装
反射×環境から発現する新現象を発見

Robotics-inspired
biology

ロボット実験による各タスクを司る反射回路や機構を同定
動物理解動物ではできない実験が可能
運動創発メカニズムを解明

最後に宣伝宣伝：レビューが出ました「四脚動物とロボットの比較解剖学」

オープンアクセス（無料）
現在、Read数が年間１位
全期間12位です41宣伝：「自然界のお手本＝動物」をよく知り、ロボットをつくろう！
動物型ロボットのためのツールキット

１日100本作れるレシピ

第一弾（公開中）

だれでも人工筋肉キット

食肉をロボット実験室で解剖しよう

第二弾（準備中）
だれでも解剖キット

By 増田、浪花、中西、浦、杉本（阪大 松江高専 空気圧チーム）

さらに手軽な実験・実環境での検証へ第三弾（企画中）
だれでも動物型ロボットキット42

おわりに福原先生
Yoichi Masuda

Akira Fukuhara

Megu Gunji

Osaka University

Tohoku University

Toyo University

Aritune Kobayashi

Kazuhiro Miyashita Ryo Wakamoto
Osaka UniversityYuji Takahashi

Hajime Ohmura

JRA Equine Research InstituteHayato Amaike

Kenjiro Tadakuma

Tohoku University

Masato Isikawa
Osaka University

解剖⽤の献体を提供いただきました，国⽴科学博物館の川⽥伸⼀郎研究主幹，恩師の石川先生，大須賀先生，細田先生，石黒先生，徳田先生，関係者の皆様，議論いただいた皆様，聴講者の皆様に謝意を表します．

A, Fukuhara et al. “A Bio-inspired quadruped robot exploiting
flexible shoulder for stable and efficient walking”, IROS2020
A, Fukuhara et al. “Simulation study on galloping quadruped
robot with flexible shoulder hammock structure”, AMAM2021

天池君
Hayato Amaike et al.
“Simulation of quadruped robot walking considering
anatomical features of distal forelimb”, AMAM2021
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