| 研究課題/領域番号 |
15K16076
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
中嶋 浩平 京都大学, 白眉センター, 助教 (10740251)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | レザバーコンピューティング / 機械学習 / リカレントニューラルネットワーク / ニューラルネットワーク / 非線形力学系 / 大自由度力学系 / カオス / ファラデー波 |
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| 研究実績の概要 |
本年度の主要な目的は、流体計算機の実験系の確立にあった。実験系の一からの立ち上げということで、全体の指針から、極めて細かい技術上の問題まで、多岐にわたる行程があったものの、概ね流体計算機の原型となるセットアップを整えることができた。本年度は、まず最も基本的な、液面のStep Responseを用いてタイマーを実装するというタスクに取り組んだ。理由としては、このタスクでは、構想されている流体計算機の一連の情報処理プロセスがコンパクトにまとまっており、実装することで、各プロセスに必要となる技術的な要請が一通り概観できるためである。また、このタスクは、脳科学においてもベンチマークタスクとして活用されているものであり、極めてシンプルであるにもかかわらず、計算機として最も重要な特性であるメモリーの容量を評価することができる。この実装実験の結果として、ある時間間隔において、極めて再現性の高いタイマーが実装できることが示され、本流体計算機が実装可能な記憶容量の一側面を定量することに成功した。本研究の初等的な結果は、複数の国内ならびに国際学会において発表された。特に、日本神経回路学会においての発表は、大会奨励賞を受賞することができた。また、本計算機の情報処理手法であるReservoir Computingを多くの研究者に紹介する機会に恵まれ、流体以外の他の様々な物理系に応用するといった共同研究が形になりつつある。本研究の主眼は、情報処理とそれを実装する物理系の間の関係を明らかにすることであるため、複数の方向からこの問いへアプローチできる可能性があると期待している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
本流体計算機の情報処理プロセスは、具体的には、容器に入れた液体を垂直方向に加振することで生成されるファラデー波のダイナミクスを各時刻の画像データとして取得し、各ピクセルにおけるrgb値を調整したものをレザバーのダイナミクスとして活用するというものである。ここで、器具の調達や実験試料の調整などは比較的問題なく進めることができた。最も重要になってくるのは、概ねハードウェアとソフトウェアが接合する以下に挙げる部分であった：1. 加振することで液面に多様なダイナミクスを生成すること（適切な加振の強さ・入力系列の速さの設定）はもちろんのこと、生成されたダイナミクスを、重要な情報を落とさずに適切なサンプリングレートで画像データ化すること。2. 取得したデータの処理時間と実装される計算能力との間の関係を鑑みて、データの適切な粗視化を行うこと。
１については、まず液面に対する光の当て方、ビデオカメラと加振機のスピードの相互調整などに時間をかけて工夫を行った。特に、referenceとしてレーザー変位計を導入した。２については、本年度最も努力した部分であり、データ量が膨大すぎて計算が終わらなかったり、データ処理（例えばマニュアルで画像データと時系列データを同期させるなど）の際、PCがフリーズしたりするのを防ぐために、効率のいい粗視化（生のピクセルを使わずに複数のピクセルをまとめたり、Adobe Premiereを導入して背景のrgb値を0にするなど）と、データ解析用の適切なワークステーションならびに大容量ハードディスクの購入を行った。上記の２つのポイントは、現在は有効なパラメータの範囲をある程度広めではあるが特定してあり、各実験毎に調整できるように設定されている。
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| 今後の研究の推進方策 |
「研究実績の概要」の欄にも記載したように、現在はタイマータスクを実装し、詳細な解析を行っている段階にあり、まずこの実験結果について論文を執筆する予定である。次に、ここでの実験結果ならびに実験系を礎に、Reservoir Computingの文脈において、より一般的な他の様々なベンチマークタスクの実装に乗り出す予定である。また、先行研究において調べられているファラデー波の、当実験系での再現を行った後（phase plotなどをしっかりと描く）、ファラデー波の性質とそれに応じた計算能力の関係について調べる予定である。探索すべきパラメータはたくさんあり、例えば、容器の形、溶液の粘性、量（容器の底からの高さ）、入力時系列のパターンなどが挙げられる。いずれについても段階的に調べていく予定である。特に、進捗状況によっては、非ニュートン性流体も活用できればと考えている。また、実験系の改良なども随時行っていく予定である。例えば、点でなく線において計測できるレーザー変位計や、ビデオカメラと加振機の同期を自動で行うソフトの導入を行うことで、より効率的に実験を行うことができると期待している。
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