【ITニュース解説】Hungry Hungry Hippos Autoplay (2017)

古典的なボードゲーム「ハングリー・ハングリー・ヒッポ」をコンピューター制御によって自動的にプレイさせるというプロジェクトは、物理的な世界とデジタルの世界がどのように連携して動作するのかを理解するための優れた実例である。このシステムは、ソフトウェアのコードが現実のモノを動かす「組み込みシステム」や「フィジカルコンピューティング」の基本的な概念を凝縮している。システムは主に、全体の司令塔である「マイクロコントローラ」、ボールの存在を検知する「センサー」、そしてカバを動かす「アクチュエータ」という三つの要素から成り立っている。

このシステムの頭脳として機能しているのは、MSP430という種類のマイクロコントローラである。マイクロコントローラとは、特定のタスクを実行するために設計された小型のコンピューターであり、パソコンのように汎用的な機能を持つCPUとは異なる。家電製品や自動車、産業用ロボットなど、私たちの身の回りの多くの電子機器に搭載されており、決められた処理を効率的に実行する役割を担っている。このプロジェクトでは、MSP430がセンサーからの情報を受け取り、その情報に基づいてモーターへ動作命令を出すという、システム全体の制御を司っている。

次に、システムの目として機能するのが、フォトトランジスタと呼ばれる光センサーである。これは光の強さを検知して、それを電気信号に変換する半導体素子だ。この仕組みでは、フォトトランジスタとLED（発光ダイオード）が対になるように設置されている。通常時はLEDから発せられた光がフォトトランジスタに当たり続けているが、ゲームのボールがその間を通過すると、光が一時的に遮断される。この光の変化によってフォトトランジスタを流れる電流が変わり、マイクロコントローラはこの電気的な変化を「ボールが来た」という信号として認識する。光の強さという連続的な物理量（アナログ信号）を、マイクロコントローラが処理できる離散的な数値（デジタル信号）に変換するためには、ADC（アナログ・デジタル変換器）という機能が用いられる。

そして、システムの手足として物理的な動作を生み出すのが、サーボモーターというアクチュエータである。アクチュエータとは、電気信号を物理的な運動に変換する装置の総称だ。サーボモーターは、一般的なモーターと異なり、回転する角度を精密に制御できるという特徴を持つ。このプロジェクトでは、マイクロコントローラからの命令を受け、ゲームボード上のカバのレバーを正確に引くために使用される。この角度制御は、PWM（パルス幅変調）と呼ばれる信号方式によって実現される。PWM信号とは、電気信号のONとOFFを高速で繰り返すパルス波のことであり、このパルスのONになっている時間の長さ（パルス幅）を変化させることで、サーボモーターの回転角度を細かく指定することができる。

これら三つの要素が連携し、以下のような一連の流れでゲームの自動プレイが実行される。まず、ゲームが開始されボールが盤上を転がる。カバの口元にボールが到達すると、LEDとフォトトランジスタの間を通過し、光が遮られる。この光量の変化をフォトトランジスタが検知し、電気信号としてマイクロコントローラに伝える。信号を受け取ったマイクロコントローラは、内部に書き込まれたプログラムに従って「ボールを食べる」という判断を下す。そして、サーボモーターに対して適切なPWM信号を送信し、レバーを引くように命令する。命令を受けたサーボモーターは指定された角度だけ回転し、カバの首を伸ばしてボールを獲得する。その後、モーターは元の位置に戻り、次のボールが来るのを待つ。この一連の動作が、人間の操作なしに高速かつ正確に繰り返される。

このプロジェクトは、一見すると趣味の電子工作のように見えるが、その背後にはシステム開発における重要な技術要素が詰まっている。センサーからの入力、プロセッサによる処理、アクチュエータによる出力という基本的な制御ループは、IoTデバイスや工場の自動化システムなど、現代社会を支える多くのテクノロジーに応用されている。また、ハードウェアを直接制御するために、C言語やアセンブリ言語といった、よりハードウェアに近い低レベルなプログラミング言語が使用されている点も、組み込みシステム開発の特徴を示している。この事例は、ソフトウェアがどのようにしてハードウェアと連携し、現実世界に具体的な影響を与えるのかを学ぶための、非常に分かりやすい教材と言えるだろう。