阪大や筑波大の研究者らは、まじめに、途中で休みながら輪唱を繰り返すカエルの行動を約１００台のセンサーを使い、詳細に調べ、通信システムに応用できないか調べた。
■研究成果のポイント
1.ニホンアマガエルの合唱に見られる法則性を実験と数理モデルによって研究した。
2.その結果を、無線センサーネットワークの自律分散型制御へ応用した。
3.生物の集団行動に関する基礎研究としての成果と、生物に学ぶ新しい技術(バイオミメティクス)としての展開が期待される。
■研究の概要
国立大学法人筑波大学システム情報系合原一究助教、大阪大学大学院情報科学研究科村田正幸教授、大学院経済学研究科小南大智助教、大学院情報科学研究科平野康晴大学院生の研究グループは、ニホンアマガエルの合唱の法則性を実験的・数理的に研究し、その成果を無線センサーネットワークの自律分散型制御に応用した。
春になり田んぼに水が入ると、たくさんのニホンアマガエルが鳴き始めた。大きな声で鳴くのはオスだけで、メスは鳴き声を聞きつけてオスに近づいていく。
本研究ではまず、実験環境において、３匹のオスのニホンアマガエルを１匹ずつケージに入れて、５０cm間隔で直線上に並べて鳴き声を録音した音声データを解析した。
「短い時間スケールでは鳴くタイミングをずらし、長い時間スケールでは発声状態と休止状態を一斉に切り替えて合唱を形成すること、すなわち合唱のあいまで一斉に休んでいること」を見出した。
次に、このようなニホンアマガエルの行動特性を、発声状態と休止状態を確率的に切り替える数理モデル（カエルの合唱モデル）を用いて定性的に再現しました。
次に、カエルの合唱モデルを、無線センサーネットワークの自律分散型制御に応用した。
無線センサーネットワークは、多数のセンサー付き無線端末を空間上に分布させる通信システム。
近くの端末同士がバケツリレーのようにデータを送っていくことで、広範囲の情報収集が可能となる。
本研究では、カエルの合唱モデルに基づく数値シミュレーションを行い、無線センサーネットワークの制御手法としての有用性を検証した。
その結果、「近接する端末同士のパケット衝突を避けつつ、全体として通信状態と休止状態を一斉に切り替えられること」がわかった。
このような性質には、近くの端末同士のパケット衝突の回避性能に加えて、ネットワーク全体の接続性と省エネルギー性能の向上が期待できるとしている。
本研究の成果は、２０１９年１月９日付で、英国王立協会が出版する科学誌「Royal Society OpenScience」で公開された。
■研究の背景
春になり、田んぼに水が入るとたくさんのカエルが鳴き始める。
大きな声で鳴いているのはオスで、メスはオスの鳴き声を聞きつけて近づいていく。
夜行性のカエルにとって、鳴き声は繁殖を効率的に進めるための大切な手段と言える。
一方で、オスはメスに向かって鳴くだけでなく、オス同士もお互いの鳴き声を聞いており、音を介してコミュニケーションしている。
このようなコミュニケーションを通して、オスはバラバラに鳴くのではなく、ある種の規則性をもって鳴く。
このようなカエルの合唱の法則性を実験データから明らかにしたうえで、その原理を数式を用いて調べるのが本研究の一つ目の目的。
次に、カエルの合唱と無線センサーネットワークという一見異なるシステムの共通点に着目。
無線センサーネットワークは、多数のセンサー付き無線端末を空間上に分布させる通信システム。近くの端末同士がバケツリレーのようにデータを送っていくことで、広範囲の情報収集が可能となる。
最近では、IoT（Internet of Things,モノのインターネット）の基盤技術としても注目されている。
無線センサーネットワーク上で効率的な通信を行うための重要な観点に、
１、「近くの端末同士がデータを送るタイミングをずらしてパケット衝突を回避すること」、
２、「バケツリレーのようにデータを送るために、十分な数の端末が同時に起動していること」
がある。
このような通信に関わる問題を、カエルの合唱の法則性に基づいて解決するのが本研究の二つ目の目的だった。
