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懐かしの“アレ”がエンジニアの原点だ! Vol.27 自然を模倣し学ぶエンジニアリング「昆虫」 昆虫
小さいころ、その不思議な形や生態に魅了された昆虫。手のひらにのるほど小さな身体に詰め込まれた人間をはるかにしのぐパワー。人間とは異質な世界に生きる昆虫たちが、いま新たなエンジニアリングの研究対象として注目を集めている。
(取材・文/ぱうだー 総研スタッフ/山田モーキン)作成日:07.07.09
今回のテーマ:昆虫研究とエンジニアリング
昆虫
地球上に存在する生物の種のうち約7割は昆虫。今でも多くの少年の心をつかむ昆虫は人間の歴史をしのぐ数億年という時間を生き延びてきた驚異的な存在だ。今年は『ファーブル昆虫記(※1)』完成100周年。昆虫の驚異的なパワーの解明が注目を集めている。さらに先端技術の発達で遺伝子レベルでの分析が可能となった今、昆虫を含む生物の優れた機能を模倣する「バイオミメティックス」の手法にも期待が集まっている。数億年前から変わらない昆虫の完成された形態はどれほどの可能性を秘めているのだろう。それは過酷に変化し続ける環境を生き抜く「構造」として、最適な解といえるかもしれない。
神崎亮平 氏
神崎亮平
東京大学 先端科学技術研究センター
生命知能システム 教授
1957年、和歌山県生まれ。1985年、筑波大学大学院博士課程修了(理学博士)。現在、東京大学先端科学技術研究センター生命知能システム教授。カイコガを使った神経行動学、生体ー機械融合システムに関する研究を行っている。
今回のテーマは「昆虫」。昆虫は身近な存在にもかかわらず、まだまだ多くのなぞを秘めた存在だ。過酷な環境でたくましく生き続ける昆虫がもつ驚く機能の数々に、未来技術へのヒントを感じるエンジニアも多いのではないだろうか。今回は「昆虫ロボット」を研究テーマとする東京大学先端科学技術研究センターの神崎教授を取材。遺伝子のレベルから神経、脳、行動までを分析する生物学的アプローチを機械工学に融合しながら、自然を参考に環境の変化に対応できるロボットづくりに挑戦している研究室だ。
昆虫をテーマにした理由は?
まずひとつは「種類の豊富さ」ですね。地球にいる生物は数百万種ですが、そのうち7〜8割は昆虫で占められています。多くのバリエーションと数億年という歴史の長さからいって、もしかしたら昆虫は地球上でいちばん完成している生き物かもしれません。
もうひとつは、その「コンパクトさ」です。ここでは生物の環境適応システムを明らかにし、それをロボットに生かす研究をしています。昆虫の脳にあるニューロン(※2)を分析し、その神経回路を電子回路で再現することを目指しています。哺乳類に比べると昆虫は脳細胞の数が圧倒的に少ない。人間が約1000億なのに対して昆虫は10万程度です。ニューロンからみた場合、昆虫も人間もほとんど一緒なので数が少ない分、昆虫は脳を知って、創るうえで最初の研究対象として最適だと考えました。
研究室では主にカイコを使った研究を行っている
具体的に昆虫のどんなことを研究しているのですか?
私の研究室では昆虫が「どうやって環境に適応しているか」ということを、神経回路の面から明らかにすることがテーマのひとつになっています。代表的な研究はカイコガ(※3)を使ったものです。まず生物学的にカイコガの脳をつくるニューロンの形や機能を分析することで、パーツをどんどんと集め、データベース化(※4)します。そしてそのデータベースの情報から神経回路を組み立てます。それを「人工的な脳」として工学的に電子回路、あるいはプログラムとして再現し、ロボットを制御するのです。
一方でカイコガの脳そのものでロボットをコントロールすることも行っています。このロボットは脳からの電気信号を受けてちゃんと動くようになっています。これらのロボットのセンサーとしては、触角などカイコガそれ自身のものを使います。
ここで双方に同じ刺激を与えたらどういう反応をするか? さまざまな環境変化の中で双方を比べながら、フェロモン(※5)への反応に絞って神経回路を解明していきます。そしてさまざまな実験結果をもとに「生きている脳」とのギャップを埋めることで「人工的な脳=電子回路」の精度を上げることを目指しています。ここで解明されたさまざまな神経回路は、例えば「におい探知ロボット」などへの応用が考えられています。 よく「虫は反射的な行動しかない」と言われますが、実は昆虫は賢い。環境の変化から学習する脳をもつことがわかっています。別な実験でフェロモンのほうへ進む性質をもつカイコガを小さなロボットにのせ、操縦させてみました。そのロボットはカイコガがまっすぐに動こうとすると右に回転する仕組みになっています。ロボットは最初くるくると回っていますが、しばらくするとロボットはちゃんとまっすぐにフェロモンに向かって進むようになるんです。あんなに少ないニューロンでも、変化に適応する脳になっているんです。「変化に適応する脳」という意味でカイコガの脳神経回路を解明できたら、人間の脳を理解することにつながるのではとも考えています。
カイコの成虫「カイコガ」がロボットを操縦する
昆虫を研究する魅力とは?
実は私、小さいころ虫が嫌いだったんですよ(笑)。それが研究対象として昆虫を眺めるうちに、その美しさに魅せられだんだんと好きになって……。昆虫研究の魅力を研究者の立場からいうと、神経回路の規模が小さいので「なんとかすべて解明できるのでは」というモチベーションを与えてくれるところです。最近は最先端技術のおかげで、遺伝子操作によって昆虫の脳の仕組みを調べたり、さらには昆虫の行動を操作できるようにもなり、研究のスピードも上がっています。
ビジネスの面からみた魅力としては、昆虫のセンサーが「高機能・シンプル・低コスト」であることです。昆虫の脳は小さいので、大事な刺激だけに高感度で反応する性質をもっています。人間と違って余計な刺激にはあまり反応しない。人工的に実現できれば、これほど素晴らしいセンサーはありません。また、昆虫は数が多いので研究開発のコスト面でも有利です。
最後に私たちにとって「昆虫は身近な対象である」ということですね。一般の方々にここでの研究を紹介すると、子供からお年寄りまで皆さん興味をもってくれる。芭蕉の句にもあるように日本人にとってセミの鳴き声はノイズではありません。欧米に比べて日本人は特に虫に親しみを感じるようです。
飼育ケースの中ではたくさんのカイコが飼育されている
昆虫と技術がつくる未来とは?
ひとつは昆虫を通してなぞに包まれた「脳を知る」ということです。今、注目されているロボット開発、そこでの課題のひとつは「環境の変化にいかに適応できるか」。限定された環境でしか動作しないのでは、現実社会で活用するのは難しい。そこで変化し続ける環境で生き抜いている「生物」それ自体から学び、その脳を知ることで現実に適応できるロボットをつくることができるのではと考えています。その際、神経回路がコンパクトかつシンプルな昆虫が適しているんです。
もうひとつは「生体と機械の融合」です。脳の情報を電気信号に置き換えることによって、脳の機能を人工的に再現することができる。そうなると生きている脳と機械の身体を融合させることも可能となります。そして身体は現実世界ではなく仮想環境に置くこともできるんですね。現実世界にあるカイコガの脳が仮想世界にある身体からの入力、出力に反応する。これは実際に研究を進めています。また逆にカイコガの身体にカイコガの脳を再現した電子回路をのせて制御するということも可能になるかもしれません。昆虫の身体は分散脳(※6)という仕組みになっていて頭、胸、腹それぞれに脳の機能が分散して存在しています。ちょっと残酷に聞こえるかもしれませんが、カイコガの羽のついた胸部分だけを切り取ってもそれだけで羽をはばたかせ、しばらく動き続けます。昆虫の分散脳というのは脳内でどう情報が処理され、運動がおこるのかを解明するのにとても興味深い性質をもっています。
背中に回路を埋め込まれたカイコ
昆虫研究でのエンジニアリングとは?
これからのエンジニアリングでは「素直に生物の適応原理を追求する」ということが大切になると感じています。私の研究室では「生物学」「機械工学」「情報学」が融合したアプローチを行っています。生物学的手法で遺伝子から神経・脳・行動とさまざまなレベルから分析した仕組みを機械工学で実現することで見えてくる「生物の適応原理」があるのではないかと考えたのです。3つの領域が融合して成果を上げていくのは今までの物理法則を根拠とした機械工学だけの手法とは大きく異なるものです。
私たち人間はいつも人間中心に、人間の視点でものをとらえがちですが、いったん昆虫の目線まで下りてみると、昆虫がいかに優れた機能を小さい身体に詰め込んで実現しているのかがわかります。自然を題材にしたミメティックス(模倣学)(※7)、そして3つの領域を融合したアプローチは今後エンジニアリングの中で重要になってくるのではないでしょうか。
自然に着目することで、最初虫が苦手だった私のように数億年を生き抜いてきた昆虫への興味がエンジニアの皆さんの間で少しでも高まるとうれしいです(笑)
神崎教授著書の児童向け図書『昆虫ロボットの夢』
座談会テーマ:昆虫はエンジニアにどのような影響を与えたか?
さて前半では昆虫研究の最先端をご紹介したが、後半では昆虫に夢中だった現役エンジニアの声を通して改めてその魅力を探ってみたい。小さな世界で生き、大きな可能性をもつ「昆虫」。形や生態など、昆虫に魅力を感じるポイントは人によってさまざまだ。エンジニアお二人に昆虫への熱い想いを語っていただいた。
昆虫に夢中だったエンジニア、お2人のプロフィール
佐山さん(仮名・45歳) 佐山さん(仮名・45歳)
回路設計  昆虫のセンサーを実現したい
大室さん(仮名・38歳) 大室さん(仮名・38歳)
社内SE 昆虫のフォルムに未来をみる
あなたの「昆虫経験」は?
佐山: 私は北海道で育ったので、仕事で東京にくるまでカマキリやゴキブリ(笑)、ダンゴムシなどは知らずにいました。虫は今でも変わらず好きなのですが、小学校3〜4年のころ、特に夢中になったのはなんと言ってもトンボ(※8)ですね。トンボといえば複眼(※9)。その仕組みが不思議で仕方なくて。トンボを捕まえてはいったい彼らにはどういうふうに世界が見えているんだろうといつも考えていました。
大室: 私は逆に東京育ち(笑)。小さいころは公園でよく虫を捕まえていました。バッタをモチーフにした仮面ライダーなど、当時昆虫を題材にしたヒーロー番組(※10)がいくつかありましてね。それでさらに虫に夢中になっていました。中でも私はやはりカブトムシ(※11)クワガタ(※12)。あの独特のフォルムが未来的でカッコよくて……。
佐山: あ、クワガタなら私も捕っていました。虫かごを10個くらい紙で自作して捕まえたクワガタをコレクションしたり(笑)。本当はカブトムシにひもをつけて荷物を引っ張らせたかったんですよね……。北海道にはカブトムシがいなかったので、今でもそれが心残り(笑)
大室: えっ、北海道にはカブトムシいないんですか、知らなかった(笑)。私はカブトムシやクワガタ、2匹を相撲させて遊んでいました。カブトムシとクワガタを闘わせるとクワガタが勝つんですよね。なぜか挟むほうが強い(笑)。
昆虫の魅力とは?
佐山: 人間とは異なる機能ですね。例えばチョウは小さい身体にあれほど大きな羽をつけて飛んでいる。人間だったらどれくらいだろうと考えると、そんな大きな羽を動かす力への驚きを感じます。トンボの複眼もそうですが、人間には知覚・体感できない世界に彼らは住んでいるということにとても興味をそそられます。複眼の場合、CCDで実現したらどうなんだろうとふと今でも仕事中にいろいろ考えてしまいます。
大室 私は虫が豪快に飛ぶところですね。せっかく捕まえたカブトムシやクワガタに飛ばれるとほんとは困るんですけど(笑)。彼らをよく見ていると飛び立つ前に羽を出して準備しているように見えるときがあるんです。よくあの薄い羽で飛べるなあと思って。固い殻の下に羽が折り畳まれて格納されているのはとても機能的に感じましたね。
佐山: 昆虫には人間がまだ知らないことがたくさんありますよね。蛍が光るのはなぜかなど、人間の理解はまだまだ虫を超えられていない。
大室: そうですね。人間にない機能を彼らはたくさん持っている。やはりそれにはいまでも未来的な憧れを感じます。
昆虫とエンジニアとの関係は?
佐山: 今、仕事でセンサーを開発しているのですが、昆虫の脳の構造がどうなっているのかがわかれば大きなヒントを得られるような気がしますね。バッタやトンボなど、飛ぶ昆虫はみなそうですが、スリムな身体ですごい飛距離を出します。素材としての機能的強度は半端じゃないはずです。そんな軽くて強い素材があったら飛行機も大きく変わるのではないでしょうか。やはりエンジニアだから虫を見てついこんなことを考えてしまいます(笑)。
大室: 私の場合、昆虫を通して「考える力」を鍛えられたかもしれません。どうやったら大好きなカブトムシやクワガタをたくさんゲットできるか(笑)。思い起こせばいつも捕獲方法に試行錯誤でした。また捕まえた虫を観察して、身体の構造や仕組みをじっくり調べたりもしていましたね。これは今、仕事でプログラムを書くときと少し似ているような気がします。最近は部品を並べるとアプリケーションができるような時代。後輩を見ていると、実際のプログラムを通して仕組みや構造を実感することが少なくなっているようで残念に感じますね。
ファーブル昆虫記(※1)
ファーブルは仏の生物学者。1800年代に昆虫行動を研究した先駆者であり、10巻にもなる研究をまとめた『昆虫記』で有名。2007年は『昆虫記』出版100周年にあたる。

ニューロン(※2)

動物に特有な神経系を構成する細胞。情報処理に特化した機能をもつ。電子顕微鏡や分子設計による染色法によって、ニューロンの構造が明らかになりつつある。

カイコガ(※3)
養蚕で絹糸をつくるカイコの成虫。幼虫であるカイコは桑を食べて成長するが、成虫では口が退化し、一切えさを摂らない。成虫として生きる10日間は性行動のみを行う。

データベース化(※4
研究室ではカイコガのにおいや光に反応するニューロン構造と機能を分析し、データベースとして登録している。1万個と想定されるカイコガのニューロンのうち、現在約1000個を登録している。
フェロモン(※5)
動物が体内で生成し、体外に放出することで同種のほかの個体に一定の行動を促す物質。本能行動が多い昆虫においてよくみられる。性行動を起こすものだけでなく、「集合」「道標」「警報」などさまざまな種類のフェロモンが知られている。

分散脳(※6)
昆虫のからだは頭、胸、腹という3つの部分から構成されているが、それぞれが独立した神経節をもち、それぞれ異なった機能をする。頭部の神経節をとくに脳という。脳からは、胸部や腹部の神経節に運動パターンの命令を送っている。

ミメティックス(※7)
≒バイオミメティックス(生物模倣学)。生物の優れた構造や機能を模倣し、人間界に役立てようとするもの。人間よりはるかに長い歴史を生き抜いているほかの生物が身につけた、生体反応や機能からヒントを得ようとするアプローチである。

トンボ(※8) 
全世界に5000種が存在。日本国内には約200種。成虫の頭部は丸く、ほとんどを複眼が占める。飛んでいる際、空中でホバリングできることが特徴のひとつ。

複眼(※9)
節足動物にみられる目の構造。五角形や六角形の形状をもつひとつの目(個眼)がハチの巣のように隙間なく集合している。トンボだけでなくハエやホタルも複眼をもつ。非常に発達した機能であり、全方向を頭や目を動かさずに見ることができる。
昆虫を題材にしたヒーロー番組(※10)
バッタをモチーフにした「仮面ライダー」が有名(1971年に放映開始)。バッタのアイデアは原作者の石ノ森章太郎氏によるもの。敵組織も含めるとカマキリやクモなど、さまざまな昆虫モチーフが登場した。ほぼ同時期に放映された手塚治虫原作の「ミクロイドS」では、敵が異常進化したアリという設定。ほかにもタイムボカンのメカ(カブトムシ)など、当時多くの作品が存在した。

カブトムシ(※11)
かつては世界最大の昆虫といわれていた。全世界に1,000種以上存在。頭部にある大きな角はオスだけのもので、えさやメスの奪い合いに使われる。分布の中心は南米。

クワガタ(※12)
全世界に1000種以上存在。今でも新しい種類が見つかっている。一般的なクワガタはあごが発達したオスである。分布の中心は東南アジア。日本には約37種。
最後に:昆虫とエンジニア。「新たな自然の発見」が未来を創る。
エンジニアが少年のころ夢中になった昆虫は、今、新たな技術開発のヒントとして大きな注目を集めている。私たちの身近に存在する虫たちの「昆虫パワー」にはいまだ多くのなぞがあり、それを解明することは新たな技術開発につながる可能性を秘めている。技術開発のお手本が自然界にあるということは大変興味深い。機械工学の世界だけにとどまらず、自然からヒントを得る新しいアプローチを読者の皆さんはどう感じるだろうか。気分転換として自然に触れるだけでなく、技術者として自然から新しい発想を得る。自然と共存しながら繁栄できる、そんな技術を生み出すエンジニアをTech総研は今後も見守っていきたい。
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山田モーキン(総研スタッフ)からのメッセージ 山田モーキン(総研スタッフ)からのメッセージ
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