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自然に学ぶ研究事例

第77回生物のサテライト行動に学ぶネットワーク制御
エネルギー・環境技術
昆虫資源
自己組織型センサネットワークの構築
さまざまな情報収集に利用されるセンサネットワーク。 自然界の交信システムや省力戦略を取り入れることで、 低消費電力と安定的な情報収集を可能にする、 生物のサテライト行動に学ぶネットワーク制御とは?
アマガエル
アマガエル

身体の小さなオスのカエルは、近くに大きなオスがいると自ら鳴くことを止め、メスが寄ってくるのをじっと待つ、サテライト行動をとる。自らが発声してメスを獲得するメリットと、発声による体力の損失を比較して、よりメリットが大きい方の行動を選択していると考えられている。写真はイメージ。

複数のセンサ付無線端末(ノード)をさまざまな物に取り付けて情報収集を行うセンサネットワークは、人や物、環境などのモニタリング、エネルギー管理、防犯、健康管理など多様な分野で利用され始めています。無線通信は障害物などで通信環境が変動し、大規模になるとノードの数も多量となり、全体を集中制御することが難しくなります。また、ノードの移動や増減などが生じた場合も機能しつづける必要があることなどから、自律分散的な方法で制御されるようになっています。近くにあるノード同士が作用し合い、バケツリレーのように情報を伝達して1カ所に集めているのです。

 

ノードは電池で作動しており、1つのノードの電池がゼロになるとネットワーク自体が止まってしまいます。そのため、個々の電池を長持ちさせることが課題の1つです。そこで注目したのが、カエルやコオロギなどが鳴き声によってメスを惹きつけるときの、サテライト行動と呼ばれるものです。自分よりも身体の大きなオスが側にいたり、周辺の個体密度が高いことを検知すると、身体の小さなオスは鳴くことを止め、他のオスの鳴き声に寄ってきたメスを獲得するという体力温存戦略をとるのです。

 

電池の残量を“体力”になぞらえ、残量の少ないノードは休み、残量の多いノードを働かせることで消費電力のバランスをとり、電池寿命を延ばそうという考え方です。そのために、周辺のノード同士が電池の状態に関する情報交換を定期的に行い、どのルートで通信するか決定する、自己組織的な制御方法が開発されました。シミュレーションでは、従来比1.5倍のネットワーク寿命が確認されています。

 

また、カエルがタイミングをずらして鳴くことに着目し、それを数学的にモデル化してデータ送信のタイミングをずらす手法に利用しようという研究も行われています。こうした生物の知恵を応用したセンサネットワークは、現在、実用化に向けたシステム研究が進められています。端末同士が互いに制御し合うことで、通信環境の変化にも強く、大規模なネットワークへの応用が期待されているのです。

菅野正嗣 教授

大阪府立大学 総合リハビリテーション学部

理論と社会的実践を両立させる研究を
生物からヒントを得た通信ネットワークの研究は、4年ほど前から行っています。カエルのオスが自分を目立たせるために、他のオスの鳴き声と重ならないようにする発声行動を数学的にモデル化し、ノードを周期的にアクティブ状態とスリープ状態にする間欠動作制御に応用しました。こうした自己組織型のセンサネットワークは、集中管理システムと比べて、変化に強く、スケールメリットもありますが、工学的には十分ではないと思います。通常は隣接するノード同士の分散型制御で行い、何かハプニングが起きたときに外から修正をいれて正常に作動させるような工夫が必要だと考えています。 自然界からアイデアとってきて、単純に人工物をつくるだけではダメ。きちんと理論を組み立て、それをどう実践的に活かしていくか。これからも、自分のペースでオリジナルな研究をしていきたいですね。

トピックス
自律分散型制御は、1台の大型コンピュータによる中央集中型制御に対して、システム全体を停止することなく保守点検やシステムの再編などを行えるよう自由度の高いシステムを構築するという考えから生まれた方式です。そして、この構築にあたっては、さまざまに生物や自然に学んでいるのです。 その1つが、生体における細胞の働きです。生体を構成する多種多様な細胞は、それぞれさまざまな役割を担っており、ある細胞が破壊されると周辺の細胞が分裂してその埋め合わせをします。こうした自律的な仕組みを、ITに取り入れたのです。 ネットワークセンサについても、例えばホタルが一斉に点滅する集団同期や点滅が伝播する進行波とよばれる現象、また、動物の体表に模様が形成される過程を数値モデル化した反応拡散モデルといわれるパターン形成法などを応用し、高度な自律分散制御を行おうとする研究なども行われています。
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