極限環境における半閉鎖式呼吸自律のための物理化学・ニューラル融合

arXiv cs.AI / 2026/3/31

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要点

本論文は「Galactic Bioware’s」の生命維持システムを提案しており、加圧式消火服向けに、二酸化炭素をソーダライムで除去する半閉鎖呼吸ループ、シリカゲルによる除湿、有限量の純酸素の補給を用いる。
熱化学の整合性、吸着等温線、さらに火災安全と有毒曝露限界に結び付いた酸素管理制約などを含む、第一原理からの物理化学的基礎を定式化する。
3層のセンサーを融合するAI制御アーキテクチャを導入する。外部環境のセンシング、消火服内部の雰囲気センシング（酸素セルを三重冗長化し、中央値投票で統合）、そして消防士のバイオメトリクスである。
従来の制御を拡張し、リセッディングホライズンのモデル予測制御に、学習済みの代謝モデルと強化学習ポリシーのアドバイザを組み合わせる。さらに、制御バリア関数フィルタで全てのアクチュエータ指令をゲートし、安全性を担保する。
18状態・3制御の非線形状態空間モデル（実行可能な構造式の消火センサーを含む）によるシミュレーションで、本手法はPID基準に対して耐久性を18〜34%改善しつつ、より厳密な生理学的および火災安全のマージンを維持することを報告している。

Abstract

本論文は、Galactic Biowareの生命維持システム（Life Support System）を紹介する。これは、正圧の消火服への統合を目的とした半閉回路式の呼吸装置であり、AI制御システムによって統括される。呼吸ループには、ソーダライムのCO2スクラバー、シリカゲルの除湿器、ならびに有限の消耗品を用いた純粋なO2の補充が組み込まれている。片方向の排気弁は正圧を維持しつつ、外部へのベント（排出）によってガスの在庫が徐々に枯渇する半閉システムを形成する。第I部では、状態整合的な熱化学、化学量論的な容量限界、吸着等温線、ならびに火災安全と毒性の双方から生じる酸素管理の制約を含め、第一原理からの物理化学的基盤を構築する。第II部では、3つのセンサ階層を融合するAI制御アーキテクチャを導入する。具体的には、外部環境のセンシング、内部のスーツ雰囲気センシング（3重冗長のO2セルと中央値投票）、および消防士のバイオメトリクスである。コントローラは、後退ホライゾン型のモデル予測制御（MPC）と、学習済みの代謝モデル、ならびに強化学習（RL）ポリシーアドバイザを組み合わせる。さらに、ハードウェアに到達する前に、候補となるすべてのアクチュエータ指令は最終の制御バリア関数（control-barrier-function）安全フィルタを通過する。このアーキテクチャは、ミッション期間と労作プロファイルが未知である状況下で性能を最適化することを意図している。本論文では、構造火災において実際に使用可能なセンサのみを用い、3重冗長のO2センシングと中央値投票を行う18状態・3制御の非線形状態空間定式化を提示する。最後に、動的な資源逼迫（scarc ity）乗数、ウォームスタート用のRLポリシーアドバイザ、ならびにすべてのアクチュエータ指令が通過を要する最終の制御バリア関数安全フィルタを備えたMPCフレームワークを導入し、PIDのベースラインに対してシミュレーション上で18〜34%の持続性向上を示しつつ、より厳密な生理学的および火災安全上の余裕を維持することを実証する。