未来を創るトピックス
ー 研究成果に迫る ー

私が取り組んでいるのは「非線形システムの制御理論」に関する研究です。内容としては非常に数学的かつ専門的なため、友人から「どんな研究をしているの？」と聞かれたら、将来的に飛行機や自動車、エアコンやドローン、工場の機械といった身近な機器の自動運転に応用できる技術だと説明しています。日常生活の中で活用されるシステムの安定性や効率を支える技術につながる研究です。
私の研究では、具体的に上記のような機械を直接扱っているわけではなく、理論的な基礎研究に焦点を当てています。実際に機械を運用する際には、すべての状態が観測できるとは限りません。たとえば、料理する際の油や部屋、ごみの焼却炉、冷蔵庫や炊飯器の温度の制御では、部分的ではなく、すべての場所の温度が重要となってきますし、航空機の制御では、重心位置や対気速度または地上速度などが重要になってきます。他にも位置や速度、加速度、姿勢角、角加速度など無数に制御に必要な要素がありますが、観測しきれない要素が多く存在します。

何か“目に見えるもの”を作っていれば、それをお見せすることで研究内容をイメージしてもらいやすいのですが、私たちの研究では具体的に見せられる「モノ」がないため、内容を理解していただくのが難しいと感じることがあります。例えば、共同で研究を行っている米山研究室ではパラシュートのような形状をしたドローンの研究を行っています。パラシュートの部分は、ふわふわしていますので、そこにセンサーなどを設置すると、その部分だけが重くなってしまい、通常通りの飛行が出来なくなってしまいます。また、小型のドローンなども同様で、大きなセンサーをつけたら飛ばなくなってしまいます。そのため、自動制御に行いたくても、飛行中のデータをリアルタイムで得ることが出来ません。このように、物理的・費用的にセンサーを取り付けられない場合など観測できない状態を得られる出力結果のみから推定することで、制御システムへとフィードバックしていこうというのが、「出力フィードバック制御」の研究です。分かりやすくお伝えしたいのですが、どうやって説明すればよいのかは一生の課題ですね（笑）。

私が取り組んでいる対象のシステムは「非線形システム」と呼ばれるものです。車の制御を例にすると、システムというのは、例えばアクセルを踏み込む（入力）と車が走る（出力）といったように、入力と出力があるモノすべてを指します。入力の数値に対して出力の数値が比例したモノは「線形」システムと呼ばれ、これは比較的制御しやすいシステムになります。一方で世の中のほとんど、99％のシステムは「非線形」です。非線形とは、入力に対して出力が単純に比例しない、つまり、その都度ばらつきが生じることを指します。例えば、1[V]の入力をしたら時速1[km]の速度が出るとしても、2[V]にしたら速度が単純に2倍（時速2km）になるわけではないといった具合です。先ほど入力と出力の例に挙げた車の動きも、踏んだらすぐに加速するわけではなく、ある程度踏み込んでから一気に加速するような現象なので、これも「非線形」ということになります。
この予測しにくい特性のおかげで非線形システムの制御は非常に難しく、現在は「高木・菅野ファジィモデル」と呼ばれる数理モデルを用いてシステムを表現し、場合によっては線形システムの手法を応用して制御器を設計することが可能です。しかし、それでも現在は完全に非線形システムを制御することは困難で、私はより汎用的な制御を実現するために、なかなか研究が進んでいない、システムの出力情報から状態を推測する「出力フィードバック制御」にトライして、より効率的で正確な非線形システム制御を実現したいと思っています。

今、さまざまなものがすでに自動で動いているように見えますが、実際には「完全な自動制御」というのはそこまで確立していません。例えば車のアクセル操作は、人間が感覚的に力加減を調整しています。飛行機も、安定した稼働に落ち着けば自動化されていても、離着陸段階のような不安定な部分は人間による操作が必要です。現在の自動化は安定した場面に限られており、すべての工程が自動化されているわけではありません。
完全な自動化の実現に向けては、もう一つ大きな課題があります。それは、非線形システムを制御するために膨大な計算が必要となり、コンピューターの処理速度が追いつかないという点です。制御に必要な計算をいくら正確に行っても、処理に時間がかかれば、その時点で得られるのは「すでに過去の結果」であり、リアルタイムでの制御には使えなくなってしまいます。

学部卒で就職せずに修士課程へ進学したのは、まず大学で得た知識をこのままで終わらせてしまうのはもったいないなと感じたからです。周囲の友人もほとんど大学院進学への進学を選んでいたこともあり、就職活動を行わず大学院進学一本で進路を考えていました。もともと航空機やヘリコプターに興味があり、ヘリコプターに関連する研究ができるからという理由で米山研究室を選びました。大学院に進めばその分野に関する専門性をさらに深められ、希望する業界への就職にもつながるのではないかと考えたからです。また、米山研究室とつながりのあるフランスの大学への留学も視野に入れていました。実際に現地の先生から受け入れ許可もいただいていたのですが、残念ながらコロナ禍の影響で渡航は叶いませんでした。

修士課程の2年間は、ちょうどコロナ禍の真っ只中で、研究活動のすべてがオンラインでした。同期の仲間と直接顔を合わせる機会すらほとんどなく、希望していた業界でもその時期は採用活動がほとんど停止していました。先が見えず不安もありましたが「それならば研究活動をもっと深めて、国際的に活躍できる人材になろう」と決意をして、博士課程への進学を決断しました。応援してくれている両親に対してもちゃんと結果を示したいといった気持ちもありました。そのため、博士課程では誰にも負けないだけ研究に励んで、国際的に活躍できる人材になろうと、修士課程に進む時よりもずっと強く自分を奮い立たせて進学を決断したのをおぼえています。平日・休日関係なく毎日研究室に通い、米山先生をはじめ、他の先生方、助手の方からの指導を糧にしながら、懸命に先行事例を学び、自分なりの理論を思考・構築し、論文を書きという作業をひたすら繰り返すことで、こうして学内外で賞もいただくことができて、非常に充実した時間を過ごせたと感じています。