JP5322294B2 - 行動制御装置及び行動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、微生物の行動を制御する行動制御装置及び行動制御方法に関し、特に、ミジンコに代表される小型甲殻類の行動を制御する行動制御装置及び行動制御方法に関する。

微生物には、環境内に存在する刺激に対して一方向に行動を起こす場合があり、この性質を走性という。刺激の種類により、圧力走性、化学走性、電気走性、磁気走性、重力走性、水分走性、光走性、水流走性、温度走性、接触走性などがある。走性には、刺激に向かう正の走性と刺激から遠ざかる負の走性とがある。各微生物が全ての走性を持つわけではなく、どのような走性を持つかは微生物によって異なる。刺激により行動は起こすが、その方向がでたらめの場合は「動性」と呼び、走性と区別する。

本発明者らは、これまでに上述の走性を利用して微生物の行動を制御し、微生物を「生きたマイクロマシン」として機械的に利用する研究を行ってきた（非特許文献１参照）。具体的には、ゾウリムシなどの電気走性を持つ原生生物を微弱電場で行動制御するシステムや、ミドリムシなどの光走性を持つ原生生物を一般光やレーザ光で行動制御するシステムを開発してきた。

A. Itoh, "Motion Control of Protozoa for Bio-MEMS", IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, Vol.5, No.2, P181-188, June, 2000.

しかしながら、ゾウリムシやミドリムシなどの原生生物は各個体による反応のばらつきが極めて大きい。すなわち、これら原生生物を「生きたマイクロマシン」として応用するには、行動制御の性能の悪さから苦戦しているのが現状である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高精度に微生物の行動を制御し得る行動制御装置及び行動制御方法を提供することである。

本発明の第１の特徴は、水中における甲殻類の行動を前記甲殻類の走性を利用して制御する行動制御装置であって、前記甲殻類を入れるための円筒状容器と、前記円筒状容器の円周壁面に設置された、青色光を照射する複数の制御用光源と、前記複数の制御用光源のうち前記甲殻類を泳がせたい方向に設置された前記制御用光源を点灯させる光源制御手段とを備えたことである。

本発明の第２の特徴は、前記行動制御装置において、前記光源制御手段が、前記甲殻類を泳がせたい方向に連続性を持たせて前記青色光の光強度を高くすることである。

本発明の第３の特徴は、前記行動制御装置において、更に、前記甲殻類の行動確認用の照明として赤色光を照射する確認用光源を備えたことである。

本発明の第４の特徴は、前記行動制御装置において、前記円筒状容器の壁面が、つや消し黒色で塗装されていることである。

本発明の第５の特徴は、前記行動制御装置において、前記光源制御手段が、前記甲殻類の反応遅れの特性に応じたタイミングで、点灯させる前記制御用光源の位置を切り替えることである。

本発明の第６の特徴は、前記行動制御装置において、前記光源制御手段が、点Ａと点Ｂとを結ぶ経路上にない点Ｄで前記甲殻類が点Ｂに向かって泳いでいる場合、点Ａから見たときの点Ｂの方向をθ_１、点Ｄから見たときの点Ｂの方向をθ_２とすると、角度θ（θ＝θ_１＋Ｋｐ（θ_１−θ_２））に示す位置に設置されている前記制御用光源を点灯させることである。

本発明の第７の特徴は、前記行動制御装置において、更に、前記甲殻類の行動風景を撮影する撮影手段と、前記撮影手段により撮影された前記甲殻類の行動風景をコンピュータゲームに反映させるゲーム手段とを備えたことである。

本発明の第８の特徴は、前記行動制御装置において、前記甲殻類が、ミジンコであることである。

本発明の第９の特徴は、水中における甲殻類の行動を前記甲殻類の走性を利用して制御する方法であって、前記甲殻類を入れるための円筒状容器の円周壁面に青色光を照射する複数の制御用光源を設置し、前記複数の制御用光源のうち前記甲殻類を泳がせたい方向に設置された前記制御用光源を点灯させることである。

本発明によれば、高精度に微生物の行動を制御し得る行動制御装置及び行動制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態における行動制御装置の構成を示す図である。 つり糸をミジンコの背中に貼付けた様子を示す図である。 第二触覚の動作頻度とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。 第二触覚の振り幅とレーザ光の照射位置との関係を示す図である。 行動制御プールの概観を示す図である。 行動制御実験風景の一例を示す図である。 点灯させる光源の位置を切り替えた際の遊泳経路を示す図である。 点灯させる光源の位置を切り替えた際に反応までにかかる時間を示す図である。 制御方程式の概要を説明するための図である。 プラスチックのボールをミジンコに搬送させている様子を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態における行動制御装置は、ミジンコの行動を走性を利用して制御する装置であって、図１に示すように、ビデオカメラ１０と、パーソナルコンピュータ２０と、マイクロコンピュータ３０と、行動制御プール４０と、ジョイスティック５０とを備えている。ビデオカメラ１０は、行動制御プール４０内のミジンコを撮影する装置である。パーソナルコンピュータ２０は、ビデオカメラ１０やジョイスティック５０からの信号を用いて各種演算を行う装置である。マイクロコンピュータ３０は、パーソナルコンピュータ２０からの信号に基づいて、行動制御プール４０に設置された機器を制御する装置である。行動制御プール４０は、ミジンコを入れるための円筒状容器や、青色光を照射する複数の制御用光源などを備えている。

ところで本発明者らは、これまで各種の原生生物の走性を利用した行動制御、およびその工学的な利用方法について検討してきた。しかしながら、水中微生物には、これらの単細胞生物のみならず、ミジンコに代表される小型甲殻類など、さまざまな多細胞生物も存在し、これらも走性を持つことが知られている。これらの多細胞生物を走性を利用して制御することについては、現時点では、全く検討されていない。そこで本発明では、ミジンコを中心とした小型甲殻類について、光走性を利用した行動制御手法について検討した。

まず、光走性を利用するに当たって、どのようなメカニズムによりミジンコが青色光に集まるかを知っておく必要がある。そのため、ミジンコを固定した状態で、様々な方向から青色レーザ光を照射して、その時のミジンコの反応を調査した。ミジンコは、基本的には大きな第二触角を動かすことで遊泳する。この第二触角の動きを高速度ビデオカメラにて記録し、レーザ光の波長、強度、照射位置などを変えたときに第二触角の反応頻度を最初に調べた。なお、ミジンコの固定は、図２に示すように、過去のミジンコ研究で行われている手法を参考に、髪の毛や極細つり糸を瞬間接着剤によりミジンコの背中に貼付ける方法により固定した。実験の結果、触角の動作頻度は、青色レーザ（波長４７３ｎｍ）で最大となり、強度は強いほど頻度は増加した。照射位置については、図３に示すように、目に近い位置に照射するほど頻度は増加した。次に、様々な角度から青色レーザを目に向けて照射した結果、図４に示すように、上部、斜め右より照射した場合は左の触覚の振り幅が増加し、斜め左から照射した場合は、右の触覚の振り幅が増加する傾向があることがわかった。すなわち、光と反対方向の触覚を大きく振ることで、ミジンコは光に向かって泳いでいると考えられる。なお、動作頻度や、振り時間には、左右で有意な差は見られなかった。

以上をもとに、プール内で青色光によって行動制御する方法を検討した。ミジンコの場合は、はっきりとした指向性光走性を示すため、青色光の光強度がなだらかに光源に向かって増加するように分布させるのが良さそうである。ミドリムシ用の装置を利用してレーザによる行動制御も試みたが、照射面積が狭いレーザではうまく行動制御できなかった。そこで、基礎実験から最もよく光源に集まった、波長４７０ｎｍ、広角６０度の超高輝度青色ＬＥＤを行動制御に利用することにし、ＬＥＤの配置やプールの構造について、様々なタイプを試作し、検討した。その結果、プールで光が反射すると、その反射光へも向かおうとするため、制御が困難になることがわかり、プールはＬＥＤ以外の箇所をつや消し黒にて塗装した。最終的には、図５に示すように、直径１３０ｍｍ、深さ１５ｍｍの円筒状容器４１の周りに２４個のＬＥＤ（光源）４２を装着し、ジョイスティック５０を傾けた方向の光が照射されるタイプの行動制御プール４０を試作した。

なお、ミジンコの光走性は、反応する波長領域としてはミドリムシに似ており、青色光に最も良く反応し、赤色光への反応が少ない。これは、行動制御用の光として青色光を用い、ミドリムシの行動確認用の照明として赤色光を用いることができることを意味する。すなわち、赤色光を照射する確認用光源を備えれば、ミジンコの行動制御に影響を与えることなく、ミジンコの行動を正確に確認することができる。

マニュアル制御によるミジンコ４３の行動制御実験を行った結果、ゾウリムシを電場制御した場合に比べはるかに制御性がよく、自在に行動制御できることが明らかになった。例えば、図６は、ミジンコ４３を星型経路に沿って遊泳させたときの実験風景を示している。このような星型経路を５周にわたって遊泳させた場合でも、星型を認識できる程度に精度よくミジンコ４３の行動を制御し得ることが分かった。

次に、支持する遊泳方向を切り替えた時の反応遅れの特性調査を行った。調査の結果、常に光源の方向に向かってほぼ一直線に向かって遊泳することが分かり、図７に示すように、この遊泳方向を切り替えた時に反応遅れが生じることが分かった。また、点灯させる光源４２の位置を切り替えた際に反応までにかかる時間は約０．３秒から０．６秒となることが分かり、図８に示すように、ＬＥＤ４２の光が切り替わった時に、それまでの進行方向に対しての角度が小さいほど反応が良い結果が出た。そこで、このような反応遅れの特性に応じたタイミングで、点灯させる光源４２の位置を切り替えるようにしてもよい。例えば、反応遅れ時間が０．３秒の方向に遊泳方向を切り替えたい場合は、その切り替え地点にミジンコ４３が到達する０．３秒前に、点灯させる光源４２の位置を切り替えるのが好ましい。

次に、自動的にミジンコ４３の行動を制御する実験を行った。ここでは、図９に示すように、点Ａと点Ｂとを結ぶ経路上にない位置（点Ｄ）でミジンコ４３が点Ｂに向かって泳いでいる場合を想定している。この場合、点Ａから見たときの点Ｂの方向をθ_１、点Ｄから見たときの点Ｂの方向をθ_２とすると、∠ＡＢＤはθ_１−θ_２と表すことができる。そこで、次式に示す角度θの位置に設置されている光源４２を点灯させると、ミジンコ４３を点Ａと点Ｂとを結ぶ経路上に誘導して、この経路上を泳がせることが可能になる。比例係数Ｋｐの値は０から２までの間で実験したところ１．５のときに良い結果が出た。なお、ミジンコ４３の位置は、ビデオカメラ１０により撮影された画像をパーソナルコンピュータ２０で解析すれば検出することができる。

θ＝θ_１＋Ｋｐ（θ_１−θ_２）
また、マニュアル操作によってオオミジンコに物体を衝突させることで物体を搬送させる実験を行った。搬送物体としてポリプロピレンの板をこの字に加工し、いくつかのサイズを用いて搬送が可能かどうかを検証した。実験の結果として長辺が３０ｍｍまでの搬送物体においては衝突をさせ搬送させることに成功をした。この結果よりミジンコの発生力は原生生物よりも大きく、また自身の体長よりも大きい物を搬送できる力があることが分かった。例えば、図１０に示すように、最大直径８ｍｍのプラスチックのボールをミジンコに搬送させることにも成功した。

以上のように、本発明では、オオミジンコの走性を調査した結果、青色光については強い正の指向性光走性を持つことを明らかにした。またシャーレ状プールの円周壁面に青色ＬＥＤを並べて設置し、ジョイスティックの傾く方向のＬＥＤが点灯する方式の行動制御手法を開発した。これの装置により実験を行った結果、原生生物よりもはるかに制御性の良い行動制御が可能であることが明らかになった。ミジンコは原生生物よりも大型のため、マイクロマシンとしては用途は限られるが、小型の種類もおり、幼生の利用も含めれば、高い制御性から原生生物ではできないマイクロ作業をさせられる可能性がある。また、ミジンコを固定した状態で、触覚をツールとして利用することも考えられよう。

更に、ミジンコの示す行動制御の自在性は、人がミジンコを操ることで楽しむ、ホビー・レジャー用途としても有望である。すなわち、ゾウリムシを飼育する場合は、飼育溶液が発するドブのような臭いが問題となる。一方、ミジンコの場合は、（１）餌とするのは植物プランクトンであり、緑になった池の水を与えればよいので、ゾウリムシのような臭いはしないこと、（２）容姿がエビカニに近いため可愛らしく感じられること、（３）サイズが大きなものでは２〜４ｍｍと、微生物としては大きく目で確認しやすいこと、（４）何よりも、ただ浮かんでいると思っていたミジンコが、こちらの思い通りに自在に動くこと、などより、ホビー用途に対する有望性は極めて高いものと思われる。

ビデオカメラ１０により撮影されたミジンコの映像をスーパーインポーズすることで、コンピュータゲームの主役として実物のミジンコを登場させる方法もある。この場合、装置の値段は、ミジンコの大きさを考えるとゾウリムシなどに比べて十分に安く作製できるであろう。また、ミジンコをペットとして、ペットと共に争う犬のアジリティ競技のように競技化できる可能性もある。このようなゲームは、例えば、ビデオカメラ１０により撮影されたミジンコの行動風景の映像に障害物の画像を重ね合わせることで実現することができる。この場合、障害物を通過する度に得点が加算され、一定の得点に達すると実物のミジンコに餌を与えたり飼育溶液中に酸素を供給するようにしてもよい。その他、ミジンコに迷路を通過させたり物体を搬送させたりして、そのタイムを競うゲームも考えられる。このようなゲームは、パーソナルコンピュータ２０に搭載してもよいし、パーソナルコンピュータ２０とネットワークを介して接続された別のコンピュータに搭載してもよい。

なお、前記の説明では、円筒状容器４１の周りに２４個のＬＥＤ４２を装着することとしているが、ＬＥＤ４２の数はこれに限定されるものではなく、例えば２倍の４８個のＬＥＤ４２を装着してもよい。また、ミジンコの行動を平面内で制御するのではなく空間内で制御したい場合は、円筒状容器４１の周りにＬＥＤ４２の輪を何重にも装着すればよい。このようにすれば、水平方向だけでなく垂直方向にもＬＥＤ４２が配置されるので、ミジンコの行動を空間内で制御することが可能になる。

また、前記の説明では、ＬＥＤを光源として採用することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ミジンコを泳がせたい方向に連続性を持たせて青色光の光強度を高くすることができれば、他の光源を採用してもかまわない。

１０・・・ビデオカメラ
２０・・・パーソナルコンピュータ
３０・・・マイクロコンピュータ
４０・・・行動制御プール
４１・・・円筒状容器
４２・・・ＬＥＤ（光源）
４３・・・ミジンコ
５０・・・ジョイスティック

Claims (9)

1. 水中における甲殻類の行動を前記甲殻類の走性を利用して制御する装置であって、
   前記甲殻類を入れるための円筒状容器と、
   前記円筒状容器の円周壁面に設置された、青色光を照射する複数の制御用光源と、
   前記複数の制御用光源のうち前記甲殻類を泳がせたい方向に設置された前記制御用光源を点灯させる光源制御手段と、
   を備えたことを特徴とする行動制御装置。
2. 前記光源制御手段は、前記甲殻類を泳がせたい方向に連続性を持たせて前記青色光の光強度を高くすることを特徴とする請求項１記載の行動制御装置。
3. 更に、前記甲殻類の行動確認用の照明として赤色光を照射する確認用光源を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の行動制御装置。
4. 前記円筒状容器の壁面は、つや消し黒色で塗装されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の行動制御装置。
5. 前記光源制御手段は、前記甲殻類の反応遅れの特性に応じたタイミングで、点灯させる前記制御用光源の位置を切り替えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の行動制御装置。
6. 前記光源制御手段は、点Ａと点Ｂとを結ぶ経路上にない点Ｄで前記甲殻類が点Ｂに向かって泳いでいる場合、点Ａから見たときの点Ｂの方向をθ_１、点Ｄから見たときの点Ｂの方向をθ_２とすると、角度θ（θ＝θ_１＋Ｋｐ（θ_１−θ_２））に示す位置に設置されている前記制御用光源を点灯させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の行動制御装置。
7. 更に、前記甲殻類の行動風景を撮影する撮影手段と、前記撮影手段により撮影された前記甲殻類の行動風景をコンピュータゲームに反映させるゲーム手段とを備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の行動制御装置。
8. 前記甲殻類は、ミジンコであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の行動制御装置。
9. 水中における甲殻類の行動を前記甲殻類の走性を利用して制御する方法であって、
   前記甲殻類を入れるための円筒状容器の円周壁面に青色光を照射する複数の制御用光源を設置し、前記複数の制御用光源のうち前記甲殻類を泳がせたい方向に設置された前記制御用光源を点灯させることを特徴とする行動制御方法。