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2022 Fiscal Year Annual Research Report

解剖学的神経筋骨格モデルに基づく二足歩行生成の深層強化学習とその人類学応用

Research Project

Project/Area Number 20H03331
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

荻原 直道  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70324605)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 伊藤 幸太  大阪大学, 大学院人間科学研究科, 助教 (20816540)
叶賀 卓  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (40803903)
村井 昭彦  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 研究チーム長 (90637274)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords歩行シミュレーション / 深層強化学習 / 歩行生成 / 順動力学 / 足部モデル
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ヒトの精密3次元神経筋骨格モデルを構築し、深層強化学習を活用してヒトの実3次元歩行運動を相応の精度で再現できる二足歩行運動の動力学的シミュレーションを構築した。筋骨格モデルは、Stanford大学で開発された7節片側11筋からなる3次元筋骨格モデルを用いた。股関節が2自由度、膝関節と足関節がそれぞれ1自由度を有するため、この筋骨格モデルの自由度は14である。筋には長さ―力関係、速度―力関係といった筋の力学特性が考慮されており、神経系からの運動指令(0~1の連続量)により筋張力を生成する。一方、神経系には、前庭器官、関節受容器、足裏触覚受容器、筋紡錘、ゴルジ腱器官が感知する信号に対応する計97の感覚情報が入力される。本研究では、97の感覚情報から22の運動指令を出力する深層ニューラルネットワークを構築し、Deep Deterministic Policy Gradient法に基づいて運動制御の深層強化学習を試みた。その結果、実歩行データと必ずしも類似しないなど問題が残されているが、二足歩行の生成を実現することが可能となった。
また、解剖学的に精密なヒト足部の3次元有限要素モデルを用いて、二足歩行中の足部と床面との力学的相互作用を計算機内に再現することを試みた。具体的には、ヒト二足歩行中の運動力学データをもとに、立脚期中の足部運動を強制変位として与え、骨格動態やそれによって生じる力作用を計算機内に再現することに成功した。これらを駆使して、ヒトの二足歩行運動の神経情報処理と、ヒトの身体構造に内在する歩行生成知能を構成論的に解明する予定である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Direct visualization and measurement of the plantar aponeurosis behavior in foot arch deformation via the windlass mechanism2024

    • Author(s)
      Matsumoto Yuka、Ogihara Naomichi
    • Journal Title

      Clinical Anatomy

      Volume: 4 Pages: 24171

    • DOI

      10.1002/ca.24171

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Regulation of whole-body angular momentum during human walking2023

    • Author(s)
      Negishi Takuo、Ogihara Naomichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Pages: 8000

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34910-5

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Functional significance of vertical free moment for generation of human bipedal walking2023

    • Author(s)
      Negishi Takuo、Ogihara Naomichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Pages: 6894

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34153-4

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantification of the in vivo stiffness and natural length of the human plantar aponeurosis during quiet standing using ultrasound elastography2022

    • Author(s)
      Nozaki Shuhei、Kinugasa Ryuta、Yaeshima Katsutoshi、Hashimoto Takeshi、Jinzaki Masahiro、Ogihara Naomichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 15707

    • DOI

      10.1038/s41598-022-20211-w

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Novel Multi-Segment Foot Model Incorporating Plantar Aponeurosis for Detailed Kinematic and Kinetic Analyses of the Foot With Application to Gait Studies2022

    • Author(s)
      Matsumoto Yuka、Ogihara Naomichi、Hanawa Hiroki、Kokubun Takanori、Kanemura Naohiko
    • Journal Title

      Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

      Volume: 10 Pages: 894731

    • DOI

      10.3389/fbioe.2022.894731

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Dynamic finite element simulation of 3D foot during stance phase of human walking2023

    • Author(s)
      Ito, K., Nagura, Y., Jinzaki,M., Ogihara, N.
    • Organizer
      12th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation of the estimated length of the plantar aponeurosis using a multi-segment foot model2023

    • Author(s)
      Matsumoto, Y., Kanemura, N., Ogihara, N.
    • Organizer
      29th Congress of International Society of Biomechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Differences in the kinematics and kinetics of the plantar aponeurosis between walking and running2023

    • Author(s)
      Matsumoto, Y., Kanemura, N., Ogihara, N.
    • Organizer
      8th Congress of International Foot and Ankle Biomechanics Society (i-FAB)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マルチセグメントフットモデルに基づく運動中の足底腱膜伸縮量の推定とその評価2023

    • Author(s)
      松本 優佳、金村尚彦、荻原直道
    • Organizer
      第77回日本人類学会大会
  • [Presentation] ヒト足部筋骨格構造の機械工学と整形外科学2023

    • Author(s)
      荻原直道
    • Organizer
      日本機械学会年次大会 公開ワークショップ「整形外科学と機械工学の連携推進にむけて」
    • Invited
  • [Presentation] ヒトの直立二足歩行の力学・制御・進化2023

    • Author(s)
      荻原直道
    • Organizer
      第19回姿勢と歩行研究会
    • Invited
  • [Presentation] Biomechanics, Motor Control, and Evolution of Human Bipedal Locomotion2022

    • Author(s)
      Ogihara, N.
    • Organizer
      Commemorative Symposium for the 37th International Prize for Biology "Human Origins and the Future of the Earth"
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Experimental and computational studies of bipedal locomotion in the Japanese macaque towards understanding the evolution of human bipedal locomotion2022

    • Author(s)
      Ogihara, N.
    • Organizer
      33rd International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] デジタル人類学が解き明かすヒトの進化2022

    • Author(s)
      荻原直道
    • Organizer
      日本モンキーセンター・モンキーキャンパス
    • Invited
  • [Presentation] 二足歩行中に作用するVertical Free Momentが下肢関節の回旋運動に与える影響2022

    • Author(s)
      荻原直道、根岸拓生
    • Organizer
      第49回日本臨床バイオメカニクス学会
  • [Presentation] 二足歩行中の足裏に床面から作用するvertical free moment の機能的意義2022

    • Author(s)
      根岸拓生、荻原直道
    • Organizer
      第76回日本人類学会大会・第38回日本霊長類学会大会連合大会
  • [Presentation] 足裏に作用するvertical free momentがヒト二足歩行に与える影響2022

    • Author(s)
      根岸拓生、荻原直道
    • Organizer
      第40回日本ロボット学会学術講演会

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Published: 2024-12-25  

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