COSMIC：ロボットシステムの構造、材料、統合制御の同時最適化

ロボット工学において、自然界の生物が持つ自律性を再現し、それを凌駕することは長年の目標である。しかし、現在のロボットシステムの多くは、構造、材料、制御を別々に設計しており、自然における共進化とは対照的な状況にある。この分離はしばしば最適とは言えない設計をもたらし、各設計要素の個別および集団的な貢献についての理解も限られている。

本研究では、トラス格子構造を持つロボットを対象として、トポロジ、材料分布、制御ポリシーを同時に最適化する勾配ベースの協調設計フレームワーク「COSMIC」を提案する。このフレームワークは、混合型のトポロジ変数と材料変数を連続設計空間に埋め込み、ニューラルネットワーク制御器を微分可能シミュレータ内に統合することで、それらの相互作用を捉え、自動微分による効率的な勾配計算を可能にする。

さらに、強く非凸な設計空間をナビゲートするための制約付き最適化手法を開発し、すべての設計要素（構造、材料、制御）を同時に最適化する。複数のケーススタディにおいて、提案フレームワークは分離設計によるベースラインを一貫して上回る多様な移動戦略を発見できることが示された。また、このフレームワークは異なる機能要件や境界条件にも柔軟に対応可能である。

COSMICフレームワークを用いることで、各設計要素がロボットの性能に与える個別および集団的な影響を明らかにする設計洞察を得ることができる。本フレームワークは、再構成、移動、その他の複雑な自律行動が可能なロボットシステムの自律的協調設計のための計算基盤を提供する。この研究は、ロボット設計をより統合的で効率的、かつ知能的な方向へと導くことが期待される。