やわらかいダイナミクスとフレキシブルセンサー技術の融合による情報処理限界の突破

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: ソフトロボット学の創成：機電・物質・生体情報の有機的融合
• 研究課題/領域番号: 18H05472
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中嶋 浩平 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 准教授 (10740251)
• 研究分担者: 竹井 邦晴 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20630833)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: ソフトロボット / リザバー計算 / 物理リザバー計算 / 非線形力学系

研究実績の概要

本年度は、リザバー計算・物理リザバー計算、両方の手法に関して、全般的に進捗があった。特に、リザバーの計算能力を定量する情報処理容量という指標に関しての理論的な知見が多く集まった（特に、時変、時不変の情報処理容量の区別やそれとecho state propertyという概念との関係など）。実装に関しては、まず、通常のリザバー計算に基づいて、これまで、センサーのエミュレーション、つまり、いわゆるindirect sensingを行ってきたが、本年度はこの手法に対して新たにphysics-informed machine learningの手法を導入し、性能向上を実現した。物理リザバー計算に関して、まずopen-loopの設定に関しては、新たな物理リザバー（渦、ウレタン、服、細胞集団など）を複数提案した。渦を用いた物理リザバー計算に関しては、上述した時変の情報処理容量の寄与を議論した。また、フレキシブルセンサーを導入したシリコン角材を用いて、環境中の物体で入力に対して一般化同期するものをad hocに物理リザバーとして活用する手法を提案し、これをremote reservoirと呼び、その計算能力を定量した。ここでも情報処理容量の解析が威力を発揮した。closed-loopの設定に関しては、魚ロボットを構築し、物理リザバーの手法に基づいて自律駆動できることを示した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題が目標とするフレキシブルセンサーの導入によるリザバー計算ならびに物理リザバー計算の情報処理限界の突破に関し、各方面で徐々に実現してきている。具体的には、センサーのエミュレーションや閉ループによるロボット制御が顕著な例である。さらに、物理リザバーの境界を動的に変質させ、これまで計算に使う想定になかった環境中の物体のダイナミクスを計算資源として活用するという物理リザバーの情報処理技術自体の発展にも貢献がある。この点は、研究遂行前には予想していなかった点で、研究を行ってみてはじめて発見した知見が基となっている。

今後の研究の推進方策

今後は、現状のまま、すべての項目について進捗を積み重ねる予定である。特に、物理リザバー計算のclosed-loopの設定における研究を重点的に進められればと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Transient chaos in bidirectional encoder representations from transformers (2022)
  • 著者名/発表者名: Inoue Katsuma、Ohara Soh、Kuniyoshi Yasuo、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 ページ: 013204
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.013204
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Behavioral Diversity Generated From Body?Environment Interactions in a Simulated Tensegrity Robot (2022)
  • 著者名/発表者名: Terajima Ryo、Inoue Katsuma、Yonekura Shogo、Nakajima Kohei、Kuniyoshi Yasuo
  • 雑誌名: IEEE Robotics and Automation Letters 巻: 7 ページ: 1597～1604
  • DOI: 10.1109/LRA.2021.3139083
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance of reservoir computing in a random network of single-walled carbon nanotubes complexed with polyoxometalate (2022)
  • 著者名/発表者名: Akai-Kasaya Megumi、Takeshima Yuki、Kan Shaohua、Nakajima Kohei、Oya Takahide、Asai Tetsuya
  • 雑誌名: Neuromorphic Computing and Engineering 巻: 2 ページ: 014003～014003
  • DOI: 10.1088/2634-4386/ac4339
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A mechanical true random number generator (2022)
  • 著者名/発表者名: Akashi Nozomi、Nakajima Kohei、Shibayama Mitsuru、Kuniyoshi Yasuo
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 24 ページ: 013019～013019
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ac45ca
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self‐Organization of Remote Reservoirs: Transferring Computation to Spatially Distant Locations (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Kazutoshi、Tokudome Yuji、Minami Yuna、Honda Satoko、Nakajima Toshiki、Takei Kuniharu、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Advanced Intelligent Systems 巻: 4 ページ: 2100166～2100166
  • DOI: 10.1002/aisy.202100166
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Physical Implementation of Reservoir Computing through Electrochemical Reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Kan Shaohua、Nakajima Kohei、Asai Tetsuya、Akai‐Kasaya Megumi
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 9 ページ: 2104076～2104076
  • DOI: 10.1002/advs.202104076
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chaos in spin-torque oscillator with feedback circuit (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamimaki Akira、Kubota Tomoyuki、Tsunegi Sumito、Nakajima Kohei、Taniguchi Tomohiro、Grollier Julie、Cros Vincent、Yakushiji Kay、Fukushima Akio、Yuasa Shinji、Kubota Hitoshi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 043216
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043216
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unifying framework for information processing in stochastically driven dynamical systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubota Tomoyuki、Takahashi Hirokazu、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 043135
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043135
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generalization Capability of Mixture Estimation Model for Peristaltic Continuous Mixing Conveyor (2021)
  • 著者名/発表者名: Oshino Sana、Nishihama Rie、Wakamatsu Kota、Inoue Katsuma、Matsui Daisuke、Okui Manabu、Nakajima Kohei、Kuniyoshi Yasuo、Nakamura Taro
  • 雑誌名: IEEE Access 巻: 9 ページ: 138866～138875
  • DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3112614
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Twin vortex computer in fluid flow (2021)
  • 著者名/発表者名: Goto Ken、Nakajima Kohei、Notsu Hirofumi
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 23 ページ: 063051～063051
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ac024d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Physics-informed reservoir computing with autonomously switching readouts: a case study in pneumatic artificial muscles (2021)
  • 著者名/発表者名: W. Sun, N. Akashi, Y. Kuniyoshi, K. Nakajima
  • 雑誌名: Proceedings of 2021 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS) 巻: - ページ: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Object Recognition Using the Deformation Dynamics of Polyurethane Foam (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Wakao, R. Sakurai, H. Kitano, K. Nakajima
  • 雑誌名: Proceedings of 2021 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS) 巻: - ページ: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance Improvement of FORCE Learning for Chaotic Echo State Networks (2021)
  • 著者名/発表者名: Wu Ruihong、Nakajima Kohei、Pan Yongping
  • 雑誌名: In: Mantoro, T., Lee, M., Ayu, M.A., Wong, K.W., Hidayanto, A.N. (eds) Neural Information Processing. ICONIP 2021. Lecture Notes in Computer Science, vol 13109. Springer, Cham. 巻: - ページ: 262～272
  • DOI: 10.1007/978-3-030-92270-2_23
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wearable Tactile Sensor Suit for Natural Body Dynamics Extraction: Case Study on Posture Prediction Based on Physical Reservoir Computing (2021)
  • 著者名/発表者名: Sumioka Hidenobu、Nakajima Kohei、Sakai Kurima、Minato Takashi、Shiomi Masahiro
  • 雑誌名: Proceedings of 2021 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 巻: - ページ: 9481～9488
  • DOI: 10.1109/IROS51168.2021.9636194
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physical reservoir computing in a soft swimming robot (2021)
  • 著者名/発表者名: Horii Yuta、Inoue Katsuma、Nishikawa Satoshi、Nakajima Kohei、Niiyama Ryuma、Kuniyoshi Yasuo
  • 雑誌名: Proceedings of the ALIFE 2021: The 2021 Conference on Artificial Life 巻: - ページ: 92～101
  • DOI: 10.1162/isal_a_00426
  • 査読あり
• [学会発表] Physical reservoir computing for embodied intelligence (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: Institute for Neural Computation Chalk Talk Series (University of California San Diego)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical reservoir computing and its relevance to embodied intelligence (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: 2nd International Conference on Embodied Intelligence
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] やわらかい身体の役割を考える (2022)
  • 著者名/発表者名: 中嶋浩平
  • 学会等名: 北海道大学 人間知・脳・AI研究教育センター（CHAIN）主催 "CHAIN ACADEMIC SEMINAR #21"
  • 招待講演
• [学会発表] Physical reservoir computing for soft robots (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: Material Intelligence (workshop at Robosoft 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical Reservoir Computing: Exploiting Physical Dynamics as a Computational Resource (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: 2021 Virtual Research Seminar Series on Complex Active and Adaptive Material Systems (Session "Information Processing in Materials")
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical Reservoir Computing (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: Deep Learning in Unconventional Neuromorphic Hardware (Satellite Workshop of IJCNN2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 物理リザバー計算：ソフトロボットを例に (2021)
  • 著者名/発表者名: 中嶋浩平
  • 学会等名: 第16回TPE研究会公開講演会
  • 招待講演
• [図書] Reservoir Computing---Theory, Physical Implementations, and Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima, Ingo Fischer
  • 総ページ数: 458
  • 出版者: Springer Singapore
  • ISBN: 978-981-13-1686-9