慶應理工のフィールドロボティクス 惑星や活火山など極限環境で活躍するロボット

多様な領域を研究し
極限環境で活動するロボットを開発

1台のロボットには、機械工学、電子工学、制御工学、情報工学などさまざまな分野の技術が注ぎ込まれている。それぞれの領域に特化する研究者が多いなか、石上さんはロボットの様々な側面について研究開発をしている。
「最初は、“テラメカニクス” という、まさにロボットの足元の力学をやりました」と石上さん。ロボットが月面を走行するとき、その足元は平坦ではない。砂地や岩石が散らばる月面などで車輪はどういう状態になるのか、力学的な考察が必要であった。
足元がわかると、ロボット全体の挙動が気になった。障害物を乗り越えるときにロボット車体がどのように揺れるのか、あるいはひっくり返るのか、そうしたことを解析してコンピュータの中で再現する、“マルチボディダイナミクス” という分野にも取り組んだ。これは、惑星や衛星の表面に探査機が着陸するときのシミュレーションにも使われている。
体の次は知能に関心が向く。「どう動けばいいかをロボット自身が選択できるように」と考え、“自律移動システム” の分野に進む。車輪をコントロールするためにはどうしたらいいか、どの走行ルートを走れば最も安全かなど、自動運転につながるような研究だ。情報学を基盤とする分野だが、それまで扱ってきた力学の知識が役に立ち、効率のよい解析や結果の正確な解釈ができた。
様々な分野を手掛けてきた経験は、知能をもった車輪「センサーホイール」の開発に結実する。それは足の裏のような感覚を持つ車輪で、車輪自身が、地面の固さや自分の沈み具合、滑り具合を認識することができる。また、走行データを蓄積し機械学習を介することで、走るたびに賢くなっていく可能性がある。これはテラメカニクスの分野では画期的な研究成果として評価されている。
もう1つ欠かせない課題は“エネルギーマネジメント” だ。月面など極限環境では、ロボットの電力消費を抑えて、効率よく動くことが至上命題となる。太陽電池パネルを搭載したロボットの最適な発電制御手法を機械学習で導き出したり、発電量やエネルギー消費量を考えたルートやロボットの動作を生成したりする。エネルギーロスの少ない走行を実現するためには、テラメカニクスの知見が必要で、ここでも石上さんが横断的に研究を進めてきた強みが発揮されている。

石上さんはこれらの4つの基盤研究を様々な応用分野に生かしている。現在携わっている宇宙関係のプロジェクトは3つあるそうだ。1つは宇宙航空研究開発機構（JAXA）が主導する火星探査計画で、この計画では火星表面や表層下（地下）でサンプルを採取して生命の痕跡をはじめ様々な科学探査を立案している。石上さんは、科学探査装置を搭載する移動ロボットの仕様やシステム設計に携わっている。
2つ目は、同じくJAXAの火星衛星 探 査 計 画MMX（ Martian MoonseXploration）。これは2020年代前半の探査機打ち上げを目指している。フォボスとダイモスと呼ばれる火星の2つの衛星でサンプル採取を行い、小惑星探査機はやぶさのように地球にサンプルを持って帰るプロジェクトだ。石上さんのチームでは、衛星に着陸する際の探査機の挙動のシミュレーションを行っているとのこと。
そして、3つ目は月面に発見された縦孔と呼ばれる地下空洞の探査。月面のすぐ下には富士山麓にある風穴のような大きな洞窟がある。将来、人が月に行ったとき、宇宙の放射線を防いでくれる場所として期待できる。この縦孔へ投入する小型ロボットも検討しているとのことだ。
一方、石上さんはこれまでに伊豆大島の三原山や阿蘇山で、移動ロボットを使った火山観測実験も行ってきた。現在は、火山の調査方法として注目されているミュオグラフィ（宇宙空間から降り注ぐ素粒子ミューオンを観測する手法）の観測装置をロボットに搭載して、火山の空洞調査を行うことを検討しているとのことで、これにより火山の水蒸気爆発の規模を推定することが可能になるかもしれない。

ロボットの遠隔操作技術は災害現場などでも威力を発揮する。内閣府が推進する革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の1つ、「タフ・ロボティクス・チャレンジ」は、人間が近づくことが困難な災害現場で活躍する、タフなロボットの実現を目指すプロジェクト。石上さんは建設車両を使い、災害地での大量の土砂や岩石などの除去作業、震災で倒壊した家屋の屋根を持ち上げて、中の人を救出する作業などのシミュレーション検討を担当している。
このほか自律移動システムを使って農薬の散布や農産物の収穫を補助するロボットも手掛けている。例えば、搭載したカメラで作業者を認識するロボットが、その作業者の後ろについて一定の距離を保って追従し、収穫した農作物を運んでくれるといったものがある。「足場が柔らかく不安定な農場をスムーズに走行させる技術はまかせてほしい」と石上さん。ここでも研究してきた基盤技術が生かせるそうだ。
「同じ仕組みは物流倉庫にも使える」という。1人の作業員が1日に何トンもの荷物を運んでいる倉庫で、荷物のピックアップや運搬をロボットが手伝えば、負荷軽減、人手不足の解消にもつながる。このようなロボット導入は、ときとして「人の仕事がロボットに奪われる」と警戒されるそうだ。そのようなとき石上さんは、「人から仕事を完全に奪うので
はなく、人が出来ること、ロボットが出来ること、それぞれを協調して仕事を効率化する、それを実現していくことがロボットのあるべき姿になる」と伝えているそうだ。

電動車いすの開発は、さらに積極的に人を助ける研究である。ある日、理工学部長の伊藤公平教授と偶然同じ電車に乗り合わせたときのこと。「石上さん、サイバスロンに出てみない？」と教授から持ち掛けられたのがきっかけだ。サイバスロンは、障がい者に対してロボット技術を役立てることを目的とした国際コンペティション大会で、電動車いすレースがある。
このレースの課題は、「狭いところを走る（スラローム走行）」「坂を登る」「車いすに乗ったままロボットアームが自動でドアを開ける」「車道から段差のある歩道に上がる」など、車いすを使う人が直面している現実的な問題を障害物とするものだった。石上さんはその場で参加を決断、2019年5月に開催される電動車いすシリーズ日本大会に出場することになった。

「ロボットの研究者が気を付けなければならないのは、研究のための研究だけであってはならないということです」と石上さん。基盤研究を大事にしつつも、自分の研究が実際の現場でどう使われるかまで見据える必要があるといい、研究室の学生にも、研究の背景を常に意識するように指導している。
それを強く意識したきっかけは、東日本大震災だった。福島第一原子力発電所の事故が起きたとき、日本製の探査ロボットはすぐ実働できる状況にあったにもかかわらず、最初に探査に入ったのはアメリカ製の軍用ロボットだった。技術的にはアメリカ製よりも日本製が優れていたのに、すぐに貢献できるはずのタイミングを失い、多くのロボット関係者が歯がゆい思いで見守っていたそうだ。
石上さんが作りたいのは、実際の現場で人の役に立つ、人を助けるロボットだ。

小学生の頃は外でよく遊んでいました。近所の山に獣道があり、友達のお兄ちゃんが鎌で切り開いてルートを作ってくれて、基地ごっこをして遊んだりしました。一方、家の中では、二槽式洗濯機の渦や、お風呂の水を抜くときにできる波形などをじっと見ていましたね。ボールペンを分解したり、レゴで遊んだりもしていました。父と物置を作ったとき、砂を叩いて地盤を固くしたり、土台を水平にするために水準器を使ったりしたのは楽しい思い出です。
中学、高校時代はバスケットボールと勉強をがんばっていました。ところが高校３年生の春、大学生との練習試合で足の靭帯を切ってしまいました。４月29日のことです。６月の最後の大会に向けて出場を目指してがんばっていたときだったのでショックでしたね。怪我をした日のことは今でもよく覚えています。

工学部では、学部卒で就職するよりも、修士を取得してから就職する学生がほとんどです。修士１年の終わりごろから就職活動を始めるのですが、修士２年の４月に吉田先生から、「博士に進学しないか」というお話をいただき、これがターニングポイントになりました。吉田先生が私のことを評価してくださったという安心感がありましたね。また、修士1年の間に自分自身がすごく成長したと感じる出来事がたくさんありました。例えば、アメリカの砂漠で行われる超小型人工衛星(CanSat=カン・サット)のコンペティションや衛星設計コンテストに参加して、自分なりに手応えは感じていました。
また、春休みにオーストラリアのニューサウスウェールズ大学に短期留学をしたとき、自分の研究が思った以上に現地の先生や学生に評価されたこともありました。
博士課程でさらに研鑽を積んだらどんな人間になるのかという自分自身への興味もあり、進学を決めました。

博士取得後は海外で研究をしたいと思い、博士課程在籍中からNASAやアメリカの大学研究機関など、いろいろアプローチしたのですが、なかなか良い返事がもらえませんでした。そんな中で、MITのKarl Iagnemmaさんにもメールを出しました。Karlさんが書かれた論文がどれも素晴らしく、かねてからぜひこの人と一緒に仕事をしたいと思っていたのです。
Karlさんも私のことをご存知だったらしく、私の申し出に対して「現時点では給料の半分ならMITから出せると思うよ」という返事をもらいました。そこで残り半分の給与相当として奨学金をいろいろ探し、村田海外留学奨学会の奨学金を得ることができました。その最終面接官のおひとりに慶應義塾大学の吉田和夫先生がいらっしゃりとても緊張したのを覚えています。

Karlさんに帰国について相談したとき、「日本よりもアメリカのほうが待遇がいいぞ」と残るように言ってくれました。「ゲンヤが辞めてしまったら、代わりに３人くらい人を雇わなければならない」と言ってくれたのは、たいへんうれしかったですね。
アメリカに滞在中、司馬遼太郎さんの小説『坂の上の雲』を読んで、自分と同年代ぐらいの登場人物が日本のためにがんばっている姿に感銘を受けたのも一因です。アメリカの研究費のボリューム感や開発速度は、日本とまったく違います。当時、日本の宇宙開発はNASAから20年以上遅れていると感じていたので、やはり日本のために働きたいと思ったのです。

JAXAでは積極的に働きました。火星着陸探査計画では、当時の上司だった久保田教授からこの計画の話を聞いて、参加２回目のミーティングで「私はこういう貢献ができます」とプレゼンさせてもらいました。その結果、チームの一員として認めてもらい、数年後のミッション審査会では発表の機会もいただきました。
着任直後の2010年６月には、小惑星探査機「はやぶさ」のカプセル回収隊にも加えていただきました。無事カプセル回収を終えた翌朝、「はやぶさ」のイオンエンジンの開発者で、回収隊隊長だった國中先生の熱いスピーチに感銘を受けました。様々な研究者の世代を経て30年近くかかってきたミッションが完遂していく感動を共有させていただきながら、このような経験を次世代の若い方々にも経験してほしいと強く思いました。
それが慶應義塾大学への志望につながりました。実はJAXA在籍時から今でもたいへんお世話になっている研究者の方も、前述の村田海外留学奨学会の奨学金で最終面接をしてくださった吉田和夫先生のお弟子さんだったこともあり、慶應義塾大学とのご縁を感じています。

私の出身高校の標語・モットーは「自発能動」でした。学生さんには「受け身にならないで」とよく言っています。「自分はこんなことができるんだ」という声を出さないと、周りから見てもらえません。誰かの指示を待っているようでは、いい研究はできないでしょう。私がJAXAで火星探査ミッションのプレゼンをしたように、自らアピールして仕事を取る姿勢も必要です。自発性をもって能動的に動いてほしいですね。
もう一つは取り組んでいる研究が、「社会にとってどういう意味やインパクトを持っているか」を考えながら取り組むという視点も必要ですね。