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MIT ML News·2026年4月14日 22:00·約9分で読める

人間と機械のチームワークが水中探査を革新

#自律型水中車両(AUV)#ソナー画像認識#人間-ロボット連携(HRT)#海洋インフラ保全#MIT Lincoln Laboratory
TL;DR

MITリンカーン研究所は、人間の精密作業能力と自律型水中車両(AUV)の処理・耐久力を組み合わせる連携システムを開発中であり、濁った水中環境でのソナー認識とナビゲーション課題の解決を目指す。

AI深層分析2026年4月14日 23:47
3
注目/ 5段階
深度40%
3
関連度30%
4
実用性20%
3
革新性10%
3

キーポイント

1

人間とAUVの強み融合

人間の機敏な操作・物体認識能力とロボットの高速処理・移動速度・耐久性を組み合わせ、海上ミッションの効率化を図る。

2

水中環境の認識制約

暗闇や濁りで光学カメラが使えず、ソナー画像は色情報が欠如して形状・影のみを示すため、AIの物体認識が困難になる。

3

データ不足と動的環境の障壁

大規模なラベル付きソナー画像データが乏しく、貝類の付着や破片化により動的な海洋環境がAIを混乱させる現状がある。

4

軍事・インフラへの応用

米軍向けに重要インフラ点検・修理、捜索救助、港域進入、機雷除去などの海事ミッション支援を目的としている。

影響分析・編集コメントを表示

影響分析

本記事は、水中環境という極限条件下でAI知覚技術の限界(ソナー画像認識、専門データ不足)を明確にし、人間とロボットの強み互补による実用化への道筋を示している。技術的にはマルチモーダル認識やドメイン適応の必要性を浮き彫りにしており、軍事・インフラ保全分野における自律システムの実装に重要な指針となる。

編集コメント

水中という極限環境でのAI認識課題は、陸上・航空分野とは異なるドメイン適応の必要性を強く示唆しており、実用化には大規模な専門データセット構築が鍵となる。軍事・民生両面で応用可能性があるため、今後のアルゴリズム進展に注目したい。

島への電力供給が停止した。水中の電源ケーブルの断線箇所を見つけるために、船舶はケーブル全体を引き上げるか、遠隔操作車両(ROV: Remotely Operated Vehicle)を投入してケーブル沿いを移動させる。しかし、自律型水中車両(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)がケーブルの地図を作成し、ダイバーが修理できる故障場所を特定できたらどうだろう?

このような水中における人間とロボットのチーム作業は、MITリンカーン研究所のプロジェクトの焦点であり、自律システムに関する内部管理の研究開発ポートフォリオを通じて資金提供を受け、Advanced Undersea Systems and Technology Groupによって実施されている。このプロジェクトは、米軍の海洋ミッション(重要インフラの検査および修理、捜索・救助、港湾進入、対機雷作戦など)を最適化するために、人間とロボットのそれぞれの強みを活用することを目指している。

「ダイバーとAUVは、一般的に水中で全くチームを組まない」と主任研究者のMadeline Millerは述べる。「人間が関与する水中ミッションは通常、ロボットでは実行できない何らかの操作(インフラの修理や機雷の不活性化など)を伴うために行われる。さらに、ROVでさえも、非常に高度な操作タスクにおいて水中での作業が難しいのは、マニピュレーター自体の敏捷性が十分ではないからである。」

優れた器用さに加え、人間は水中での物体認識にも優れています。しかし、重い装備を携行している場合など、水中で作業する人間は複雑な計算を行ったり、非常に速く移動したりすることができません。一方、ロボットは処理能力、高速な可動性、そして耐久性において人間に優位性を持っています。これらの強みを組み合わせるため、ミラーとそのチームは、効果的な人間とロボットの連携にとって重要な2つの能力である水中ナビゲーション(navigation)と知覚(perception)のためのハードウェアおよびアルゴリズムを開発しています。

ミラーの説明によれば、潜水士はコンパスとフィンのキック回数しか誘導手段を持ちません。水深による光の不足や水中に存在する生物性物質によって引き起こされる不透明な環境など、ランドマークが少なく、視界が悪い可能性のある条件下では、彼らは簡単に方向を見失い、道に迷うことがあります。ロボットが潜水士のナビゲーションを支援するためには、環境を認識する必要があります。しかし、暗闇や濁度の高い環境では、光学センサー(カメラ)は画像を生成できず、音響センサー(ソナー)が生成する画像も色情報が欠如しており、シーン内の物体の形状と影しか示しません。大規模なラベル付きソナー画像データセットが歴史的に不足していたことが、水中知覚アルゴリズムの学習を妨げてきました。仮にデータが利用可能であっても、動的な海洋環境は物体の真の性質を隠蔽し、人工知能(AI)を混乱させる可能性があります。例えば、複数の破片に分解された航空機や、ムール貝の過剰な成長で覆われたタイヤは、それぞれが元の航空機やタイヤとは見分けがつかなくなる可能性があります。

"最終的には、遠征環境における航法と知覚のためのソリューションを開発したいと考えています」とミラーは語ります。「私たちが検討しているミッションでは、事前に区域をマッピングする機会が限られているか、あるいは全くありません。例えば、港湾進入ミッションの場合、衛星マップはあっても水下のマップがないといった状況です。」

航法面において、ミラーのチームは、ジョン・レオナードが率いるMIT Marine Robotics Groupによって開始された、ダイバーと自律型水中無人機(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)のチーム連携アルゴリズムの開発作業を引き継ぎました。レオナードのグループは、その航法アルゴリズムを用いて最適条件下でのシミュレーションを実行し、人間が漕ぐカヤックをダイバーとAUVの代用として用いて穏やかな水域でフィールドテストを行いました。その後、ミラーのチームはこれらのアルゴリズムをミッション関連のAUVに統合し、より現実的な海洋条件下でのテストを開始しました。当初は支援船をダイバーの代用として、その後 actual divers(実際のダイバー)を用いてテストを行いました。

「海流を考慮に入れると、ダイバー側にもより多くのセンシング能力が必要であることを私たちはすぐに学びました」とミラーは説明します。「MITによって実証されたアルゴリズムでは、車両は時間経過に伴う車両とダイバーの位置を推定するという最適化問題を解くために、定期的にダイバーまでの距離(レンジ)のみを計算する必要がありました。しかし、現実の海洋の力がすべてを押し流す中では、この最適化問題はすぐに破綻してしまいます。」

知覚の側面では、ミラーのチームは、ミッション中に光学データとソナーデータの両方を処理し、不確実性をもって分類された物体について人間の入力 solicit(要請)できる AI 分類器を開発してきました。

「この分類器は、画像の周囲にバウンディングボックスを示すような情報の一部をダイバーに渡し、『これはタイヤだと思いますが、確信はありません。どう思いますか?』と示すというアイデアです。その後、ダイバーは『はい、正解です』または『いいえ、画像のこちらを見て分類を改善してください』と応答できます」とミラーは語ります。

このフィードバックループには、ダイバーと自律型水中無人機(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)間の通信をサポートする水下音響モデムが必要です。最新の水下音響通信におけるデータレートでは、AUV からダイバーへ非圧縮画像を送信するのに数十分を要します。したがって、チームが調査している側面の一つは、低帯域幅と高レイテンシという水下通信の制約、および使用している市販部品(COTS: Commercial Off-The-Shelf)ハードウェアの小型・軽量・低消費電力という制約の中で、有用であるために必要な最小限の情報量に情報を圧縮する方法です。プロトタイプシステムにおいて、チームは主に COTS センサーを調達し、米海軍が日常的に運用する AUV に容易に統合できるセンサーペイロードを構築し、技術移転の促進を目指しました。ソナーおよび光学センサーに加え、このペイロードにはダイバーへの測距用の音響モデムと、複数のデータ処理および計算ボードが備わっています。

ミラー氏のチームは、ニューイングランド沿岸部、特にニューハンプシャー州ポーツマス沖の開放海域で、ニューハンプシャー大学(UNH)の沿岸研究船「Gulf Surveyor」と「Gulf Challenger」をダイバーの代替として使用し、ボストン近郊のチャールズ川ではMITセーリングパビリオンのスキフを代替として使用して、センサー搭載の自律型水中無人機(AUV)とアルゴリズムの実験を行いました。

「UNHの船は設備が整っており、現実的な海洋環境にアクセスできます。しかし、大型船舶でダイバーのふりをすることは困難です。スキフを使えばより低速で移動でき、ダイバーとAUVが連携して航行する際の相対的な運動をより正確に再現できます。」

昨夏、チームはミシガン工科大学の「Great Lakes Research Center」で人間のダイバーを用いた機器の実験を開始しました。この際、ダイバーにはAUVへの情報フィードバック用のインターフェースはありませんでしたが、各々はチームが開発した管状の原型タブレット(通称「チューブレット」)を持って泳ぎました。このチューブレットには、圧力・深度センサー、慣性計測装置(相対運動を追跡するため)、および距離測定モデムが搭載されており、これらはすべてナビゲーションアルゴリズムが最適化問題を解決するために必要な構成要素です。

「テスト中の課題の一つは、ダイバーと車両の動作を調整することでした。これらはまだ連携していないためです」とミラー氏は語ります。「ダイバーが水中に入ると、水面のチームとの通信は途絶えます。そのため、衝突しないようダイバーと車両の配置を事前に計画する必要があります。」

チームはまた、知覚(perception)の問題にも取り組んでいました。その年の時期の五大湖の水質は、光学センサーによる水中画像取得を可能にしていました。リンカーン・スカラーズ・プログラム(Lincoln Scholars Program)の博士課程学生であるキャロライン・キーナン氏は、研究所の高度な水中システム技術グループとMITのレオナルド氏の研究グループで共同作業を行い、この機会を利用して、光学センサーからソナー(sonar)センサーへの知識転移に関する自身の研究を進展させました。彼女は、ソナーデータが存在しない物体の認識において、光学分類器がソナー分類器を訓練できるかどうかを探求しています。この動機は、ソナーデータのラベル付けやソナー分類器の訓練に関連する人間オペレータの負荷を軽減することにあります。

内部資金による研究プログラムが終了するにつれ、ミラー氏のチームは現在、外部のスポンサーシップを模索し、この技術を軍事または商業パートナーへ向けに洗練し移行させることを目指しています。

「現代世界は海底の通信および電力ケーブルに依存しており、これらは破壊的な行為者による攻撃に対して脆弱です。より多くの国々が自律型海洋システムの能力を開発・高度化させるにつれ、海底領域はますます争点となっています。グローバルな経済安全保障と米国の戦略的優位性を海底領域で維持するためには、AIの能力と人間の能力の最良の部分を統合・活用することが必要です」とミラー氏は述べています。

原文を表示

The electricity to an island goes out. To find the break in the underwater power cable, a ship pulls up the entire line or deploys remotely operated vehicles (ROVs) to traverse the line. But what if an autonomous underwater vehicle (AUV) could map the line and pinpoint the location of the fault for a diver to fix?

Such underwater human-robot teaming is the focus of an MIT Lincoln Laboratory project funded through an internally administered R&D portfolio on autonomous systems and carried out by the Advanced Undersea Systems and Technology Group. The project seeks to leverage the respective strengths of humans and robots to optimize maritime missions for the U.S. military, including critical infrastructure inspection and repair, search and rescue, harbor entry, and countermine operations.

"Divers and AUVs generally don't team at all underwater," says principal investigator Madeline Miller. "Underwater missions requiring humans typically do so because they involve some sort of manipulation a robot can't do, like repairing infrastructure or deactivating a mine. Even ROVs are challenging to work with underwater in very skilled manipulation tasks because the manipulators themselves aren't agile enough."

Beyond their superior dexterity, humans excel at recognizing objects underwater. But humans working underwater can't perform complex computations or move very quickly, especially if they are carrying heavy equipment; robots have an edge over humans in processing power, high-speed mobility, and endurance. To combine these strengths, Miller and her team are developing hardware and algorithms for underwater navigation and perception — two key capabilities for effective human-robot teaming.

As Miller explains, divers may only have a compass and fin-kick counts to guide them. With few landmarks and potentially murky conditions caused by a lack of light at depth or the presence of biological matter in the water column, they can easily become disoriented and lost. For robots to help divers navigate, they need to perceive their environment. However, in the presence of darkness and turbidity, optical sensors (cameras) cannot generate images, while acoustic sensors (sonar) generate images that lack color and only show the shapes and shadows of objects in the scene. The historical lack of large, labeled sonar image datasets has hindered training of underwater perception algorithms. Even if data were available, the dynamic ocean can obscure the true nature of objects, confusing artificial intelligence. For instance, a downed aircraft broken into multiple pieces, or a tire covered in an overgrowth of mussels, may no longer resemble an aircraft or tire, respectively.

"Ultimately, we want to devise solutions for navigation and perception in expeditionary environments," Miller says. "For the missions we're thinking about, there is limited or no opportunity to map out the area in advance. For the harbor entry mission, maybe you have a satellite map but no underwater map, for example."

On the navigation side, Miller's team picked up on work started by the MIT Marine Robotics Group, led by John Leonard, to develop diver-AUV teaming algorithms. With their navigation algorithms, Leonard's group ran simulations under optimal conditions and performed field testing in calm waters using human-paddled kayaks as proxies for both divers and AUVs. Miller's team then integrated these algorithms into a mission-relevant AUV and began testing them under more realistic ocean conditions, initially with a support boat acting as a diver surrogate, and then with actual divers.

"We quickly learned that you need more sensing capabilities on the diver when you factor in ocean currents," Miller explains. "With the algorithms demonstrated by MIT, the vehicle only needed to calculate the distance, or range, to the diver at regular intervals to solve the optimization problem of estimating the positions of both the vehicle and diver over time. But with the real ocean forces pushing everything around, this optimization problem blows up quickly."

On the perception side, Miller's team has been developing an AI classifier that can process both optical and sonar data mid-mission and solicit human input for any objects classified with uncertainty.

"The idea is for the classifier to pass along some information — say, a bounding box around an image — to the diver and indicate, "I think this is a tire, but I'm not sure. What do you think?" Then, the diver can respond, "Yes, you've got it right, or no, look over here in the image to improve your classification," Miller says.

This feedback loop requires an underwater acoustic modem to support diver-AUV communication. State-of-the-art data rates in underwater acoustic communications would require tens of minutes to send an uncompressed image from the AUV to the diver. So, one aspect the team is investigating is how to compress information into a minimum amount to be useful, working within the constraints of the low bandwidth and high latency of underwater communications and the low size, weight, and power of the commercial off-the-shelf (COTS) hardware they're using. For their prototype system, the team procured mostly COTS sensors and built a sensor payload that would easily integrate into an AUV routinely employed by the U.S. Navy, with the goal of facilitating technology transition. Beyond sonar and optical sensors, the payload features an acoustic modem for ranging to the diver and several data processing and compute boards.

Miller's team has tested the sensor-equipped AUV and algorithms around coastal New England — including in the open ocean near Portsmouth, New Hampshire, with the University of New Hampshire's (UNH) Gulf Surveyor and Gulf Challenger coastal research vessels as diver surrogates, and on the Boston-area Charles River, with an MIT Sailing Pavilion skiff as the surrogate.

"The UNH boats are well-equipped and can access realistic ocean conditions. But pretending to be a diver with a large boat is hard. With the skiff, we can move more slowly and get the relative motion in tune with how a diver and AUV would navigate together."

Last summer, the team started testing equipment with human divers at Michigan Technological University's Great Lakes Research Center. Although the divers lacked an interface to feed back information to the AUV, each swam holding the team's tube-shaped prototype tablet, dubbed a "tube-let." The tube-let was equipped with a pressure and depth sensor, inertial measurement unit (to track relative motion), and ranging modem — all necessary components for the navigation algorithms to solve the optimization problem.

"A challenge during testing was coordinating the motion of the diver and vehicle, because they don't yet collaborate," Miller says. "Once the divers go underwater, there is no communication with the team on the surface. So, you have to plan where to put the diver and vehicle so they don't collide."

The team also worked on the perception problem. The water clarity of the Great Lakes at that time of year allowed for underwater imaging with an optical sensor. Caroline Keenan, a Lincoln Scholars Program PhD student jointly working in the laboratory's Advanced Undersea Systems and Technology Group and Leonard's research group at MIT, took the opportunity to advance her work on knowledge transfer from optical sensors to sonar sensors. She is exploring whether optical classifiers can train sonar classifiers to recognize objects for which sonar data doesn't exist. The motivation is to reduce the human operator load associated with labeling sonar data and training sonar classifiers.

With the internally funded research program coming to an end, Miller's team is now seeking external sponsorship to refine and transition the technology to military or commercial partners.

"The modern world runs on undersea telecommunication and power cables, which are vulnerable to attack by disruptive actors. The undersea domain is becoming increasingly contested as more nations develop and advance the capabilities of autonomous maritime systems. Maintaining global economic security and U.S. strategic advantage in the undersea domain will require leveraging and combining the best of AI and human capabilities," Miller says.

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