自律型水中ロボットが、ダイバーの呼吸器から排出される気泡の流れを観察することで、ダイバーの呼吸速度をリアルタイムで監視できるようになりました。このシステムはHREyesと呼ばれ、Junaed SattarとDemetrious Kutzkeが率いる研究チームによって開発され、バルバドスのカリブ海の公海でテストが行われました。彼らの研究成果は、コンピュータビジョンが水中での人間の呼吸速度の推定に初めて使用されたことを示しています。陸上では呼吸の監視は比較的簡単ですが、水中では通常のツールが機能しません。
厚手のネオプレン製ダイビングスーツやドライスーツは、心拍数や呼吸を監視するために必要な皮膚接触センサーを遮断します。従来の無線プロトコルであるBluetoothやWi-Fiは、水中では著しく減衰し、健康データが近くのロボットに送信されることができません。音響通信の帯域幅もリアルタイムのバイタルサイン監視をサポートすることができません。ダイビング活動には深刻な身体的リスクが伴います：過呼吸や突然の力の入れ方は、数秒で生命を脅かす緊急事態に発展する可能性があります。
各ダイバーは、呼吸器から息を吐く際に一連の気泡を排出します。これらの気泡は、ダイバーの呼吸周期に関連した規則的なパターンを示します。HREyesは、この視覚信号を分析することで機能します。水中ロボットのカメラは気泡の流れを観察し、そのリズムに基づいて呼吸頻度を推定します。システムはダイバーの健康状態を3つのカテゴリに分類します：1分間に14回未満の呼吸、正常範囲は1分間に14回から20回、そして1分間に20回を超える呼吸。上限の範疇は、過呼吸や過度の力の入れ方の可能性を示します。
システムが呼吸速度の上昇を検出すると、状況が危険になる前に近くの他のダイバーに警告を発することができます。この水中ロボットは、自律的な安全パートナーとしてダイバーを追跡し、ダイバーの身体にセンサーを取り付けることなく、継続的な視覚的接触を保持します。ロボットは自らのカメラとオンボード処理システムを利用して遠隔監視を行います。
HREyesシステムの技術革新と課題
水中でのバイタルサイン監視における核心的な課題は、環境の物理的制約です。以前の試みでは、センサーをダイバーに直接取り付ける必要がありましたが、ダイビングスーツや装備がそれを不安定にしました。研究者たちは、ダイバーの位置を追跡し、ジェスチャーを解釈するために視覚的方法を探求してきましたが、カメラの入力を生理的測定に変換することはさらに複雑な問題を引き起こしました。HREyesシステムは、呼吸を反映する唯一の信頼できる視覚的手がかりである排出された気泡の流れに焦点を当てることで、この課題を解決します。この信号は可視で頻繁であり、呼吸速度と直接関連しています。
研究チームは、カリブ海の公海条件下でこの方法を示し、実験室の制御環境を超えて検証しました。この研究は、アメリカ国防総省のSMART奨学金プログラムと国立科学財団の支援を受けており、自律的なダイバーの健康監視の軍事的関連性と、科学的およびレクリエーション的な応用における重要性を示しています。
研究チームは、将来的に構築されるシステムにおいてHREyesを、包括的な水中ダイバー健康システムへの第一歩と位置付けています。呼吸速度は体力とストレスの強い指標ですが、これを運動追跡と組み合わせることで、ロボットにダイバーの身体状態のより完全な画像を提供することができます。将来のバージョンは、これら2つのデータストリームを統合し、ダイバーが深海やグループダイビング作業で持続的な健康プロファイルを構築することを目指しています。この能力は、レクリエーションダイビングの安全、軍事作戦ダイビング、そして各ダイバーを常に監視できない科学探査チームに役立つことができます。
これらの研究結果は、初めて『国際ロボット研究ジャーナル』に発表されました。