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The effects of interaction network on swarm intelligence in ants: Omics revolution in social insects

Research Project

Project/Area Number 18J20064
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Animal physiology/Animal behavior
Research InstitutionTokyo Metropolitan University

Principal Investigator

庄司 一貴  東京都立大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords複雑システム / 群知能 / 集団意思決定 / 社会性昆虫 / ARトラッキング / マイクロインジェクション / マイクロロボット / ネットワーク
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、蟻の群知能を個体間相互作用ネットワークの視点から解明するための実験装置、解析システム、実験方法の立ち上げを行った。蟻のコロニーの全個体の個体間相互作用を自動特定するために、AR(拡張現実)トラッキングシステムを構築した。ARタグを蟻に貼り付け、ARタグをカメラで撮影する。そして画像中のARタグの情報をよみとることで、全個体の個体番号、位置情報などの行動ビッグデータを取得することに成功した。行動ビッグデータを活用し、計算することで、蟻の個体間相互作用を自動特定することに成功した。個体間相互作用ネットワーク構造をネットワーク分析とシミュレーションにより、解明中である。
さらに、個体間相互作用ネットワーク構造の機能を操作実験により直接解明するために、個体間相互作用のノックダウンとノックインの実験方法の開発に取り組んだ。個体間相互作用のノックダウンには、蟻個体に対する生理活性物質のマイクロインジェクションを用いる。実際に個体にインジェクションを行い、インジェクションによる行動パターンの変化を測定した。また、ノックインは、マイクロロボットで動かすことのできる微小ビーズをコロニー内に導入することで、相互作用の人為的追加、攪乱を行う。そのためのマイクロロボット制御、微小ビーズの開発に取り組んだ。
コロニー内のどの個体に対して相互作用の実験操作を行うか選定するために、個体の生物学的特性データ(役割分担、行動特性)の自動取得を試みた。役割分担の自動特定をするために、行動ビッグデータを解析した。その結果、空間分布と活動性のみから個体の役割分担を自動特定できる可能性が示唆された。また、個体の行動特性を自動取得するために、ANTAMとよばれるサーボスフィア装置を用いて、移動軌跡を構成する最小単位である行動モチーフの特定を試みた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画では、個体間相互作用のノックダウンならびにノックアウトのみを考慮していた。しかし、本年度は個体間相互作用のノックインの研究に着手することができ、当初の計画を超える展開となった。
さらに、相互作用の操作実験を行う個体を選定するための情報である、個体の生物学的特性を自動的に取得する方法を本年度で構築することができた。
そのため、来年度は、当初の計画をさらに発展させた研究内容に取り組むことが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

来年度以降は、個体間相互作用ネットワーク構造と群知能のパフォーマンスの解明に取り組む。また、ネットワーク構造の操作実験を本格的に開始したいと考えている。そして、蟻コロニー最適化アルゴリズムにとってかわる次世代のアルゴリズム開発や、人工知能開発に貢献したいと考えている。
特に、マイクロロボットの実験系の構築を完了させる。さらに、フィードバックを組み込んだ複数台のマイクロロボットを蟻コロニー内に同時展開させる。そして、蟻-ロボットのサイボーグコロニーを用いた実験操作により、群知能に対する個体間相互作用ネットワーク構造の機能解明に取り組みたい。
当初の研究計画をさらに発展させて、蟻全個体の行動ビッグデータのみではなく、全個体のバイタルデータを非侵襲的かつ非接触の自動取得に取り組みたいと考えている。そして、全個体のバイタルデータから、個体体内の状態を推定し、行動ビッグデータならびに群知能のパフォーマンスデータと紐づけする。そして、個体体内の状態と個体の行動、群知能の関係の解明に取り組みたいと考えている。
最終的には、バイタルビッグデータ、行動ビッグデータ、ネットワークのすべてを統合して、群知能の解明をすることを目標としたい。

Report

(1 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Georgia(米国)

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      Kazutaka Shoji
    • Journal Title

      ARI Jornal of Myrmecological Society of Japan

      Volume: 40

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mining of behavioral motifs from individual ant trajectory2019

    • Author(s)
      Kazutaka Shoji, Naohisa Nagaya, Ryusuke Fujisawa
    • Journal Title

      ransactions of the Institute of Systems, Control and Information Engineers

      Volume: 32(4) Pages: 154-158

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      2018 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Individual Activity Level and Mobility Patterns of Ants Within Nest Site2018

    • Author(s)
      Kazutaka Shoji
    • Journal Title

      Lecture Notes in Computer Science

      Volume: 11172 Pages: 378-384

    • DOI

      10.1007/978-3-030-00533-7_32

    • ISBN
      9783030005320, 9783030005337
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      2018 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Image Stitching and AR Tracking to Visualize the Interaction Networks of Ants During Collective Behavior2018

    • Author(s)
      Kazutaka Shoji
    • Journal Title

      JWEIN+NetEco2018, Special Interest Group On Emergent Intelligence on Network (SIG-EIN)

      Volume: -

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      Kazutaka Shoji, Ryusuke Fujisawa, Naohisa Nagaya, Aiki Yamada, Adam L Cronin
    • Journal Title

      Proceedings of the 62nd Annual Conference of the Institute of Systems, Control and Information Engineers (ISCIE)

      Volume: -

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    • Author(s)
      Kazutaka Shoji, Naohisa Nagaya, Ryusuke Fujisawa
    • Organizer
      A joint meeting of the 56th Annual Conference of the Animal Behavior Society and the 36th International Ethological Conference
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    • Author(s)
      庄司一貴
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      ネットワーク科学セミナー:データ科学への応用
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      Kazutaka Shoji
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      ANTS 2018 Eleventh International Conference on Swarm Intelligence
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Identification of functional brain networks recruited by acute treadmill running at different intensities2018

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      Hideaki Kasahara, Maina Ishida, Ryoko Morikawa, Ayu Nishii, Kazutaka shoji, Natsuko Kubota, Takeshi Nishijima, Ichiro Kita
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      48th annual meeting of Neuroscience 2018
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      日本動物行動学会第37回大会
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      Kazutaka Shoji
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      庄司一貴
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      第61回日本蟻類研究会大会
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    • Author(s)
      Kazutaka Shoji
    • Organizer
      JWEIN+NetEco2018, Special Interest Group On Emergent Intelligence on Network (SIG-EIN)
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  • [Presentation] Behavioral motif detection in ants2018

    • Author(s)
      Kazutaka Shoji, Ryusuke Fujisawa, Naohisa Nagaya, Aiki Yamada, Adam L Cronin
    • Organizer
      第62回システム制御情報学会研究発表講演会
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    • Author(s)
      庄司一貴
    • Organizer
      第38回関東地区生態学関連修士論文発表会
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  • [Remarks] Sasaki Lab

    • URL

      http://sasakilab.ecology.uga.edu/

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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