動物が速度に応じて歩き方を変える仕組みの謎（その２）

森 大志 @mori0091

嘘だろ…制御どころかモーターもブレーキも無いんだぜ…。 脚機構を懸架装置で吊り下げただけなのに、重心の移動に応じて各脚の位相が変化し、ウォークやトロット歩容が発現し始めている…。 もしかして、あの画期的な論文の制御則ですら動物の歩行制御に比べたら複雑すぎるんじゃないのか？ pic.twitter.com/OyrFYX1CWf

森 大志 @mori0091

＞神経生理学等の実験により、四肢動物の基本的な歩行パターンは脳幹・脊髄によって生成され、そのリズムは小脳や脳幹を含む高次中枢や求心性入力によって調節されていることが示唆されています。 cns.atr.jp/icorp/topic4.h…

森 大志 @mori0091

脳幹や脊髄に周期的な信号を発する振動子があり、小脳やら何やらが振動子のパラメタを調節してるらしいって事ね。 このモデルだと、脳はパラメタを適切に調節してるだけで、脚先の位置や関節の角度やら何やらを一々計算する必要が無いって事。

森 大志 @mori0091

歩行パターン制御「不要」疑惑

森 大志 @mori0091

脚はモータと懸架装置付きのリンク機構。 四肢の機構や性能は全て同じ、独立して動いている。低トルクのモータのため脚が床に着くと回転数が落ち遊脚と支持脚の位相差が変化する。制御なし。 慣性モーメント∞の地球外物質で姿勢を保つ以外は、何も物理法則に反していない。 #Algodoo pic.twitter.com/hMX5mGvxqp

森 大志 @mori0091

四肢を適度な回転数とトルクで動かしているだけなのに、センサも脳も無いのに、歩容が受動的に変化している。 動物が歩き走るために脳がやっていることは、姿勢制御は当然やっているだろうが、歩容（歩行パターン）については回転数やトルク配分の調節しかやってないのかもしれない。

森 大志 @mori0091

動物がギャロップで走ってる最中に左右の脚の順番を入れ替えたりキャンターやトロットへ移行したりできるのは、先のシミュレーション動画にも見られるように、能動的なものではなく自然の物理法則に従った受動的な現象なのではなかろうか。

森 大志 @mori0091

動物の歩容の変化は自然の物理法則に従った受動的な現象。 四肢を適度な回転数とトルクで独立に回すだけ発現する。 この現象が発現する条件は２つ： ①体の姿勢が安定していること ②トルクが回転数に応じた適正値であること ああ！そういうことか！あの制御則の意味が分かった！（続く）

森 大志 @mori0091

件の論文の制御則、あれは本質的には「姿勢制御則」だ。 式を素直に読むと「脚の回転数を保ちつつ」「地面に直立するように支持脚を増減速」する、つまり体の姿勢を一定に保つ制御則なんだ。（条件①を満たす） （続く）

森 大志 @mori0091

さらに、支持脚の制御量が床反力に比例するようになっている。 脚の回転数が上がるほど床反力≒衝撃は大きくなる。脚を回転させるのに必要十分なトルクの適正値も速いほど大きい（！） 「制御量を床反力に比例させる」＝「速度に応じてトルクを適正値に調節する」だ！（条件②を満たす） （続く）

森 大志 @mori0091

当初、式の意味からは歩容の変化に直結しているようには見えなかった。むしろ支持脚のデューティ比が実際の歩容と矛盾するように感じられた。 それもそのはず、あの制御則は歩容の制御なんかじゃない。姿勢制御だからだ。同時に偶然か狙ったのかトルクを適正化していた。 歩容の変化は副産物！

森 大志 @mori0091

自然は計算などしない。 悠久の時の流れの中で、膨大な組み合わせの中から、ついに適正なパラメタを発見し、想像もつかない現象を創発する。加えて生物はそれを後世に伝え、進化させていく。地球は巨大な実験場だ。自然が発見し育んできた数々の最適パラメタをヒトは一体いくつ見つけられるだろう？

森 大志 @mori0091

あ、そうそう。（中二病は置いといて） あの論文の試作ロボットがギャロップを通り越してバウンス（バウンド）に移行しちゃったのは、体の構造のせいじゃないかと推測してる。ネズミなど、体が小さく脚が短い動物はギャロップよりもバウンスになりやすい（はず）。

森 大志 @mori0091

ボディに可動部が無いことや弾性体が無いのも一因としてありそう。動物の体は骨（剛体）を筋肉と腱（弾性体）でつなぎ合わせたテンセグリティ構造だから体の一カ所を動かすと色んな所に影響が及ぶけど、剛体をジョイントでつなぎ合わせたロボットにはそれがない（影響が伝わる前に軋むか壊れる）。