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

2022 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 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 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 / 物理リザバー計算 / 非線形力学系 / フレキシブルセンサ

研究実績の概要

本年度は最終年度ということもあり、これまで行ってきた研究をまとめ上げることを意識して進めた。まず、Indirect Sensingにおいては人工筋肉それ自体のダイナミクスを物理リザバーとして活用し、長さ推定を高精度に実装できることを示した。また、同様のタスクに関してPhysics-Informed Approachも導入した。更にフレキシブルセンサー技術とリザバー計算を融合することで、雨滴を検知し、雨量と風速を同時にリアルタイムで計測できるシステムを構築した。この成果はAdvanced Materialsに掲載され、プレスリリースもなされた。二つ目には、やわらかい身体のダイナミクスを計算資源とし、閉ループ制御を埋め込む研究を行った。具体的には、シリコンでできたタコ腕型ソフトロボットアームを４つ搭載したタコロボットを構築し、物理リザバー計算のフレームワークのもと、ロコモーションや遊泳動作を実装した。ここではタコ腕一つ一つが物理リザバーとして機能し、それらの結合系と考えられることから、Deep Reservoir Computingの構成になっているとも考えられる。また、人工筋肉において同様に閉ループ制御を実装し、周期的パターンやカオス的挙動を実装できることを示した。特に人工筋肉にかかる負荷をパラメータとし、分岐の埋め込みに成功した。最後に、やわらかいロボットのための物理リザバー計算の基礎をソフトロボット学の教科書においてまとめあげた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] “RobOstrich” Manipulator: A Novel Mechanical Design and Control Based on the Anatomy and Behavior of an Ostrich Neck (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakano Kazashi、Gunji Megu、Ikeda Masahiro、Or Keung、Ando Mitsuhito、Inoue Katsuma、Mochiyama Hiromi、Nakajima Kohei、Niiyama Ryuma、Kuniyoshi Yasuo
  • 雑誌名: IEEE Robotics and Automation Letters 巻: 8 ページ: 3062～3069
  • DOI: 10.1109/LRA.2023.3265301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computational capability of ecological dynamics (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushio Masayuki、Watanabe Kazufumi、Fukuda Yasuhiro、Tokudome Yuji、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 10 ページ: 221614
  • DOI: 10.1098/rsos.221614
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Durable Pneumatic Artificial Muscles with Electric Conductivity for Reliable Physical Reservoir Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Ryo、Nishida Mitsuhiro、Jo Taketomo、Wakao Yasumichi、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 34 ページ: 240～248
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p0240
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Multitasking Flexible Sensor via Reservoir Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi Seiji、Arie Takayuki、Akita Seiji、Nakajima Kohei、Takei Kuniharu
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 34 ページ: 2201663～2201663
  • DOI: 10.1002/adma.202201663
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physics-Informed Recurrent Neural Networks for Soft Pneumatic Actuators (2022)
  • 著者名/発表者名: Sun Wentao、Akashi Nozomi、Kuniyoshi Yasuo、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: IEEE Robotics and Automation Letters 巻: 7 ページ: 6862～6869
  • DOI: 10.1109/LRA.2022.3178496
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Noise-induced synchronization of spin-torque oscillators (2022)
  • 著者名/発表者名: Imai Yusuke、Tsunegi Sumito、Nakajima Kohei、Taniguchi Tomohiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 224407
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.224407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Continuum-Body-Pose Estimation From Partial Sensor Information Using Recurrent Neural Networks (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Kazutoshi、Minami Yuna、Tokudome Yuji、Inoue Katsuma、Kuniyoshi Yasuo、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: IEEE Robotics and Automation Letters 巻: 7 ページ: 11244～11251
  • DOI: 10.1109/LRA.2022.3199034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Coupled Spintronics Neuromorphic Approach for High‐Performance Reservoir Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Akashi Nozomi、Kuniyoshi Yasuo、Tsunegi Sumito、Taniguchi Tomohiro、Nishida Mitsuhiro、Sakurai Ryo、Wakao Yasumichi、Kawashima Kenji、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Advanced Intelligent Systems 巻: 4 ページ: 2200123～2200123
  • DOI: 10.1002/aisy.202200123
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Physical deep learning with biologically inspired training method:?gradient-free approach for physical hardware (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Mitsumasa、Inoue Katsuma、Tanaka Kenji、Kuniyoshi Yasuo、Hashimoto Toshikazu、Nakajima Kohei
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 7847
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35216-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Soft interface: exploiting soft body dynamics for computation (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: Soft Robots and Embodied Intelligence (full-day workshop at Robosoft 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Soft body meets chaos (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: New Directions for Simplified Control of Soft Robots (full-day workshop at Robosoft 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physical Reservoir Computing for Soft Robotics (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: MRS (Materials Research Society) 2022 Spring, "Symposium SB02 - Materials, Power Sources, Sensors, Actuators and Mechanics for Untethered Soft Robots," May 8-13, 2022, Honolulu, Hawai, US.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] やわらかい知能 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中嶋浩平
  • 学会等名: 第40回日本ロボット学会学術講演会・オープンフォーラム「ソフトロボット学の全貌を理解する-体系的テキストの上梓-」2022/09/09、東京大学本郷キャンパス工学部6号館61講義室、Japan.
  • 招待講演
• [学会発表] 学習するダイナミクス：物理リザバー計算の新規学習方法の提案 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中嶋浩平
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会「インマテリアルAIコンピューティング」、2022/09/20、東北大学 M206 Multimedia Research Hall (ハイブリッド）、Japan.
  • 招待講演
• [学会発表] Physical Reservoir Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohei Nakajima
  • 学会等名: International School of Solid State Physics: 82nd Workshop "Unconventional Computing, Materials Science, Informatics, Hardware, Software", 2022/10/20-26, Erice-Sicily, Italy.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] やわらかい知能 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中嶋浩平
  • 学会等名: 日本機械学会講習会「ソフトロボット学入門 -基本構成と柔軟物体の数理-」
• [図書] ソフトロボット学入門 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新学術領域「ソフトロボット学」研究班 日本ロボット学会、鈴森 康一、中嶋 浩平、新山 龍馬、舛屋 賢
  • 総ページ数: 320
  • 出版者: オーム社
  • ISBN: 978-4-274-22998-5