ワシントン大学の研究者は、昆虫に乗ることのできる小型カメラを開発しました。 ここでは、Pinacate beetleがカメラを背負ってUWキャンパスを探検しています。 Credit: Mark Stone/University of Washington

映画「アントマン」では、タイトルキャラクターはサイズを縮め、昆虫の背中に乗って空を飛ぶことで移動することができます。 ワシントン大学の研究者たちは、昆虫に乗ることもできる小さな無線操縦式カメラを開発し、誰もがアントマンの世界観を見ることができるようになりました。 これにより、最小限のエネルギーを消費しながら、高解像度のパノラマショットを撮影したり、移動する物体を追跡したりすることができます。 このシステムの汎用性を実証するために、研究チームは、重さ約250ミリグラム（トランプの約10分の1）のこのシステムを、生きた甲虫や昆虫サイズのロボットの上に取り付けました。

この結果は、本日（2020年7月15日）、Science Roboticsに掲載されます。

「私たちは、実際に生きている昆虫から起こっていることの一人称のビューをキャプチャしたり、小型ロボットのビジョンを作成したりできる、低電力、低重量のワイヤレスカメラシステムを作成しました」と、ポール G. アレン コンピュータ科学&工学部のUW准教授、Shyam Gollakota上級著者は語っています。 「視覚はコミュニケーションやナビゲーションに非常に重要ですが、このような小さなスケールでそれを実現するのは非常に困難です。 その結果、私たちの研究以前は、ワイヤレス・ビジョンは小型ロボットや昆虫には不可能でした」

スマートフォンに使われているような一般的な小型カメラは、広角で高解像度の写真を撮影するのにかなりの電力を使っており、昆虫のスケールではうまく行きません。 カメラ自体は軽量ですが、それを支えるバッテリーが必要なため、昆虫や昆虫サイズのロボットが持ち運ぶには、システム全体が大きく重くなりすぎてしまうのです。 そこで研究チームは、生物学から教訓を得ました。

「カメラと同様、動物の視覚は多くの電力を必要とします」と、共著者のSawyer Fuller（カリフォルニア大学機械工学科助教授）は述べています。 人間のような大きな生き物ではそれほど大きな問題ではありませんが、ハエは、その脳を動かすためだけに、安静時のエネルギーの 10 ～ 20 % を使っており、そのほとんどは視覚処理に費やされています」と述べています。 このコストを削減するために、一部のハエは複眼の小さな高解像度領域を備えている。 獲物や仲間を追いかけるときなど、より鮮明に見たい場所に頭を向けて操縦するのだ。 8063>

共同研究者のワシントン大学電気・コンピューター工学部博士課程学生Vikram Iyerは、カメラシステムをピナカイト甲虫に装着しています。 Credit: Mark Stone/University of Washington

動物の視覚を模倣するために、研究者は、機械的なアームの助けによって視野を掃引できる、小型で超低出力の白黒カメラを使用しました。 研究チームが高電圧をかけるとアームが動き、材料が曲がってカメラを目的の位置に移動させる。 さらに電力をかけないと、アームは1分ほどその角度を保ったまま、元の位置に戻ってしまう。 これは、人が頭をある方向に向けたまま短時間で、より中立的な位置に戻るのと似ています。

「カメラを動かせることの利点の1つは、大量の電力を消費せずに、何が起こっているかを広角で見ることができることです」と、共同研究者で、米国大学電気・コンピューター工学博士課程の学生であるVikram Iyer氏は語りました。 「ロボット全体を動かすエネルギーを使わずに、動いている物体を追跡することができるのです。 これらの画像は、広角レンズを使用した場合、同じ数のピクセルをより広い領域に分割した画像を作成する場合よりも高解像度でもあります」

カメラとアームは、サッカー場より少し長い、最大120メートル離れた場所からスマートフォンからBluetooth経由で制御されます。 同様の甲虫は、半分のグラムよりも重い荷物を運ぶことができることが知られていると、研究者は述べています。

「私たちのシステムを運んでいるとき、甲虫がまだ適切に動けることを確認しました」と、共同研究者で電気およびコンピューター工学の UW 博士課程の学生である Ali Najafi は述べています。 「カブトムシは、砂利の上を自由に移動し、斜面を登り、木にも登ることができました。 そして、その時間帯だけ画像をキャプチャするのです」とIyer氏は言います。 「この加速度計なしでカメラが連続的にストリーミングしている場合、バッテリーが切れる前に 1 ～ 2 時間記録することができます。 加速度計があれば、甲虫の活動レベルに応じて、6時間以上記録できます」

研究者たちは、このカメラシステムを使用して、ワイヤレスビジョンを備えた世界最小の地上型電力自律型ロボットも設計しました。 この昆虫サイズのロボットは、振動を利用して移動し、低消費電力のBluetooth無線が動作するのに必要な電力とほぼ同じ電力を消費します。

しかし研究チームは、振動がカメラを揺らし、歪んだ画像を生成することを発見しました。 そこで研究チームは、ロボットを一時停止させて撮影し、その後再び走行させることで、この問題を解決した。 この戦略により、システムはまだ毎秒約2～3センチメートル移動することができ、振動を使用して移動する他のどの小型ロボットよりも速く、約90分のバッテリー寿命でした。

チームは軽量で低消費電力のモバイル カメラの可能性に興奮していますが、研究者はこの技術に新しいプライバシー リスクが伴うことを認めています。

「研究者として私たちは、人々がリスクを認識し、人々がそれに対処するためのソリューションを考え始めることができるように、物事をパブリックドメインに置くことが本当に重要であると強く信じています」とGollakota氏は述べました。 研究チームは、このカメラの将来のバージョンでは、必要な電力がさらに少なくなり、バッテリー不要で、潜在的には太陽電池駆動になることを期待しています」

「これは、歩き回る甲虫の背中から一人称視点で撮影した初めての例です。 例えば、カブトムシが環境で目にするさまざまな刺激にどのように反応するのか、など、探求できる疑問は非常に多くあります。” とIyerは言いました。 「また、昆虫は岩場を移動することができますが、この規模のロボットがそれを行うのは非常に困難です。 ですから、このシステムは、ナビゲーションが困難な空間からサンプルを見たり収集したりすることで、私たちを助けることもできます」

Reference: “Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots” by Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller and Shyamnath Gollakota, 15 July 2020, Science Robotics.

UW mechanical engineering doctoral studentのJohannes Jamesはこの論文でも共著者になっています。 この研究は、マイクロソフトのフェローシップと国立科学財団の資金援助を受けて行われました。