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研究紹介
私たちの思い描く未来

研究紹介

脳科学とニューロインフォマティクス〜脳を知り、調べる〜

脳科学とニューロインフォマティクス
〜脳を知り、調べる〜

科学的発見には仮説駆動型のアプローチが必要です。データマイニングや機械学習などのデータ駆動型のアプローチは、人が理解できる、体系化された知識と融合して初めて科学的発見に至ります。記述論理とWebオントロジー言語を活用することで、データと知識を融合することができます。このプロジェクトでは、自動化された仮説駆動型アプローチが、生体計測や多次元データを意味づけして互いに結びつけるシステムとして、イベント/仮説駆動型のセマンティック統合フレームワークを提案しています。その有効性検証の観点から、動的環境での脳波、視線追跡、動作の３種同時記録計測、そのシステムの構築、ノイズ除去のための数理手法、効果的なメタデータ付記などの研究を行っています。

キーワード：計算論的神経科学、ニューロインフォマティクス、メタデータ、脳波-視線-動作同時計測

資料/リンク

  • Dimitrova, M., Wagatsuma, H., Krastev, A., Vrochidou, E., Nunez-Gonzalez, J. D. (2021): A Review of Possible EEG Markers of Abstraction, Attentiveness, and Memorisation in Cyber-Physical Systems for Special Education,

    Frontiers in Robotics and AI, Vol. 8, Article ID: 252 (10 pages)(Scopus収録; Impact Factor: 2.639 (2019); Q2 Journal) 国際共著論文（欧州H2020プロジェクト）総説

  • Vrochidou, E., Lytridis, C., Bazinas, C., Papakostas, G. A., Wagatsuma, H., Kaburlasos, V. G. (2021): Brain Signals Classification Based on Fuzzy Lattice Reasoning,

    Mathematics, Vol. 9, No. 9, Article ID: 1063 (16 pages)(Scopus収録; Impact Factor: 1.105 (2018); Q2 Journal) 国際共著論文（欧州H2020プロジェクト）

  • Sanchez, M. R. V., Mishima, S., Fujiwara, M., Ai, G., Jouaiti, M., Kobryn, Y., Rimbert, S., Bougrain, L., Hénaff, P., Wagatsuma, H. (2020): Methodological Design for Integration of Human EEG Data with Behavioral Analyses into Human-Human/Robot Interactions in a Real-World Context,

    ICIC Express Letters, Vol. 14, No. 7, pp. 693 – 701.

  • Singh, B., Wagatsuma, H. (2018): Two-Stage Wavelet Shrinkage and EEG-EOG Signal Contamination Model to Realize Quantitative Validations for the Artifact Removal from Multiresource Biosignals,

    Biomedical Signal Processing and Control, Vol. 47, pp. 96 – 114 (Scopus, Impact Factor: 2.783(2017); Q1 Journal)

  • Singh, B., Wagatsuma, H., Natsume, K. (2017): The Detection of the Rise to Stand Movements Using Bereitschaftspotential from Scalp Electroencephalography (EEG),

    SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Vol. 10, No. 3, pp. 149 – 155.

  • Singh, B., Wagatsuma, H. (2017): A Removal of Eye Movement and Blink Artifacts from EEG Data Using Morphological Component Analysis,

    Computational and Mathematical Methods in Medicine, Vol. 2017, Article ID 1861645.

  • Singh B., Ichiki M., Ai G., Wagatsuma, H. (2017): An Effective Lifting Scheme Method for EEG Decomposition in Targeted Frequency Range,

    ICIC Express Letters, Vol. 11, No. 1, pp. 65 – 70.

  • Ai, G., Sato, N., Singh, B., Wagatsuma, H. (2016): Direction and Viewing Area-Sensitive Influence of EOG Artifacts Revealed in the EEG Topographic Pattern Analysis,

    Cognitive Neurodynamics, Vol. 10, No. 4, pp.301 – 314(WoS, Impact Factor: 2.000 (2017); Q3 Journal)

  • Ai, G., Sato, N., Singh, B., Wagatsuma, H. (2015): Viewing-Area Sensitive EOG Influences in EEG Topographic Map That Contribute to Ocular Artifact Removals in Future Combined Analyses with Eye-Tracker System,

    ICIC Express Letters, Part B: Applications, Vol. 7, No. 3, pp. 657 – 664.

  • 我妻広明 (2015)： 海馬が担う高次機能とシミュレーション手法の展望（Hippocampal Functions Related with Working Memory and Meta-Cognition and Its Foresight Implementations），

    人工知能（人工知能学会誌） Vol. 30, No. 5, pp. 652 – 664. (総説)

  • Krichmar J, Wagatsuma H. (2011): Neuromorphic and Brain-Based Robot,

    Cambridge University Press: Cambridge. pp.3-7, 274-302.(2011/9/1)

身体力学と柔軟マルチボディダイナミクス〜機構知と身体支援〜

身体力学と柔軟マルチボディダイナミクス
〜機構知と身体支援〜

生物の活動は身体（広義では個体内外の境界）に支えられ、その形態や特性変化、そして系として、身体動作という機能が実現されています。筋肉の伸縮は四肢の動きに必要ですが、個々の筋伸縮や骨格の可動性などが単に結合しているだけでは、運動機能とはなりません。本研究では、全体系として、「機能」を有する身体動作がどう生み出されるかを考えます。また、環境との相互作用ダイナミクスでは、知的かつ適応的であることが求められます。
従来の剛体力学に基づくロボット工学は、単純な回転型ジョイントの結合系で置き換えるなど、要素還元的モデリングに陥りやすく、本来の複雑かつ多様な身体変形を矮小化しがちです。本研究では、系の構成要素を柔軟に入れ替えて再構築し、比較分析を容易にするシステム的手法として、マルチボディダイナミクスの導入をしており、その他、系を柔軟連続体の変形として扱う、材料力学的分析を融合したANCF法のような理論基盤も活用します。生物は、拘束条件が多く、特定の自由度に限定する、劣駆動システムといわれ、機能創出の一方で、要素の損傷や不具合で、機能達成が困難になる場合もあります。
理学療法の現場でのリハビリテーションの技法も、この考え方と親和性があると考えており、パラスポーツ（特に車いすバスケ）や理学療法における支援具や訓練としての新たな方法論やツールを生み出すことに大きく貢献すると考えています。

キーワード：しなりバイオメカニクス、マルチボディダイナミクス（MBD）、柔軟体力学、計算幾何学、CAD/3Dプリンティング

資料/リンク

  • Batbaatar, D., Wagatsuma, H. (2021): A Viscoelastic Contact Analysis of the Ground Reaction Force Differentiation in Walking and Running Gaits Realized in the Simplified Horse Leg Model Focusing on the Hoof-Ground Interaction,

    Journal of Robotics, Networking and Artificial Life, Vol. 8, No. 2, pp. 78 – 84.

  • Batbaatar, D., Wagatsuma, H. (2020): An Extension of Kinematic Model for the Linkage Mechanism to Analyze the Workspace and Gait Trajectory Induced by the Swing Leg Motion,

    Proceeding of the 3rd International Conference on Control and Robots (ICCR 2020), pp. 57-64.

  • Kato, Y., Wagatsuma, H. (2020): Analytical Method Based on the Absolute Nodal Coordinate Formulation for Elastic Material Components to Reform the Design-Style of Human Assistive Devices,

    ICIC Express Letters, Vol. 14, No. 9, pp. 891 – 899.

  • Batbaatar, D. and Wagatsuma, H. (2019): A Proposal of the Kinematic Model of the Horse Leg Musculoskeletal System by Using Closed Linkages,

    Proceeding of the 2019 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2019), pp. 869-874.

  • Komoda, K., Wagatsuma, H. (2017): Energy-Efficacy Comparisons and Multibody Dynamics Analyses of Legged Robots with Different Closed-loop Mechanisms,

    Multibody System Dynamics, Vol. 7, No. 3, pp. 657 – 664.(WoS, Impact Factor: 2.718 (2017)；Q1 Journal)

  • Komoda, K., Wagatsuma, H. (2015): A Determinant Analysis to Detect the Singularity of the Extended Theo Jansen Mechanism in the Phase-Rotation-Amplitude Parameter Space,

    Computer Science and System Biology, Vol. 9, No.1, pp. 010 – 022.

CPSと要素技術の深化〜産業界で活用できるAI技術〜

CPSと要素技術の深化
〜産業界で活用できるAI技術〜

CPSはCyber Physical Systemの略称で、情報化された仮想世界「Cyber」と物理的作用が必要な現実世界「Physical」を仲介する情報処理の課題です。現実世界で発生する多くの事象は、一見無関係な事柄も、複雑な関係性を背後に持ち、抽象的で概念的意味論を扱う仮想世界でなければ整理や解決ができない問題が潜んでいます。
これまでの情報処理システムや自動化（ロボット化）でも、特定の問題解決はできていました。それは局所解、あるいは部分最適解としての答えです。環境問題のように、ある部分のメリットを最大化すると、他の点で大きなデメリットが現れるようなトレードオフ問題は、複雑で多様な社会課題では、今や当たり前のことです。さて、全体的な観点からの最適化はどのように達成できるでしょうか？　システム設計の段階で、特定の場所、目的、属性に対象を限定するのではなく、全体の動きを俯瞰的に見て最適化を行う必要があります。そのためには、連続と離散（アナログとデジタル）のバランスを考え、情報の取り扱いと意味を具体化し、状況の理解ができる方法論やシステム設計が必要になります。このような課題解決に向けた要素技術深化とシステム設計の最適化に取り組みます。

キーワード: 最適化理論、スパースモデリング 、MCA、非線形ダイナミクス、振動子引き込み

資料/リンク

  • Almassri, A. M. M., Shirasawa. N., Wagatsuma, H. (2021): Real-time Social Distancing for Tackling COVID-19 in Workplaces Using Wearable Inertial Sensor,

    International Journal of Bioscience, Biochemistry and Bioinformatics, Vol. 11, No. 3, pp. 58 – 64.

  • Zahariev, R., Valchkova, N., Wagatsuma, H. (2020): Service Robots for Special Education of Children with Disabilities: Robotized Systems for Social Applications,

    Proceeding of the 2020 ACM International Conference Proceeding Series, pp. 300-306.国際共著論文（欧州H2020プロジェクト）

  • Almassri, A. M. M., Kariya, T., Takizawa, C., Wagatsuma, H. (2020): A Systematic Evaluation Method for Product Configurations in the Shelf to Minimize the Picking Cost by Using Zone-Specific Dijkstra's Algorithm: Effectiveness of the Planogram in the Warehouse,

    International Journal of Innovative Computing, Information and Control, Vol. 16, No. 4, pp. 1313 – 1322.

  • Dimitrova, M., Wagatsuma, H. (2019): Cyber-Physical Systems for Social Applications,

    IGI Global: Pennsylvania, USA. Vol. 16, No. 4, (Pages: 440,2019/4)

  • Dixit, A., Wagatsuma, H. (2018): Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC 2018),

    IGI Global: Pennsylvania, USA. pp. 2681-2686,https://doi.org/10.1109/SMC.2018.00458.

  • Tripathi, G. N., Wagatsuma, H. (2015): PCA Based Algorithms to Find Synergies for Humanoid Robot Motion Behavior,

    International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 12, No. 3(2015), Article ID: 1550037 (21 pages) (WoS, Impact Factor: 0.69)

  • Lorenčík, D., Ondo, J., Sinčák, P., Wagatsuma, H. (2015): Cloud-Based Image Recognition for Robots, Robot Intelligence Technology and Applications 3,

    Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 345, pp 785 – 796.国際共著論文（スロバキア・コシツェ工科大学）

  • Dimitrova, M., Wagatsuma, H. (2015): Designing Humanoid Robots with Novel Roles and Social Abilities,

    Lovotics, Vol. 3, No. 1, Article ID: 1000112 (3 pages).国際共著論文（JSPS短期招聘プログラム）

  • 我妻広明 (2011): 自律分散制御から知能創発の工学化への視点,

    コンピュータソフトウェア, Vo. 28, No.1, pp.2 – 20.(日本ソフトウェア科学会 第4回解説論文賞 受賞論文)

論理知識型AIと自律作業ロボット〜オントロジーと暗黙知〜

論理知識型AIと自律作業ロボット
〜オントロジーと暗黙知〜

次世代人工知能・ロボット中核技術開発「データ駆動型人工知能と論理知識型人工知能の融合による解釈可能な自動運転システムに関する研究」で開発された論理知識型AIは今や、人と協働で目的を達成する自律作業ロボットの知能基盤となる状況・文脈依存的プランニングの自律化を実現しつつあります。従来のデータ駆動型AIの課題であったブラックボックス化（その判断を人が理解できる形で説明できない）を克服するため、融合AI技術（データ駆動型AI×論理知識型AI（記述論理・オントロジーなど））を構築し、走行中の自動車で稼働することを実証しています。現在は、FAロボットが人と協働するための基盤システム設計に取り組んでいます。これらは記述論理がリアルタイムシステムとして実現できるかを検証するもので、私たちはそれを実現するための数理基盤を完成させつつあります。これにより、現場の熟練知が、環境・課題・可動性や禁忌など様々な拘束条件を前提として、課題解決のための階層的情報構造を再構築して、論理的判断の可視化および自律的手順生成ができるようになります。

キーワード：述語論理、オントロジー、ROS、RDF/OWL、ホーン則、セマンティックWebルール言語（SWRL）

資料/リンク

  • Maniamma, J., Wagatsuma, H. (2020): A Semantic Web-Based Representation of Human-logical Inference for Solving Bongard Problems,

    Journal of Universal Computer Science, Vol. 26, No. 10, pp. 1343 – 1363.(Scopus収録; Impact Factor: 0.701 (2019)；Q2 Journal)

  • 橋本康平，石田裕太郎，市瀬龍太郎，我妻広明，田向権(2017)： 論理知識型AI に基づく自動運転のための危険予測システムの構築と評価

    システム制御情報学会論文誌, Vol. 31, No. 5, pp. 191 – 201.

  • Wagatsuma, H. (2018): Logical Scenarios and Coverage Analyses Enhanced by a Representative Trajectory Model to Reduce Test Cases to Limited Combinations,

    Proceeding of the 2018 Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS-ISIS 2018), pp. 734-738.

  • Maniamma, J., Wagatsuma, H. (2018): An Ontology-Based Knowledge Representation Towards Solving Bongard Problems,

    ICIC Express Letters, Vol. 12, No. 7, pp. 681 – 688.

  • 5. Wagatsuma, H., Maniamma, J., Ichise, R., Tamukoh, H., Anada, K., Watanabe, M. (2018): Application-Independent Ontology Design Shared in Human-Assist Systems for Automated Driving, Agricultural Plant Automation and Nursing-Care Managements,

    Proceeding of the 2018 Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS-ISIS 2018), pp. 1109-1114.

  • Fujieda, M., Wagatsuma, H. (2018): A Method to Analyze the Individual Personality Building in Scenes in Novels by Using the Natural Deduction of Propositional Logic,

    Proceeding of the 2018 Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS-ISIS 2018), pp. 1058-1061.

  • Maniamma, J., Wagatsuma, H. (2018): A Semantic Web Technique as Logical Inference Puzzle-Solver for Bongard Problems,

    CEUR Workshop Proceedings (ISWC 2018), Vol. 2180, ID 39.

  • 我妻広明 (2017): 脳・身体知から自動運転まで（6章）, 鳥海 不二夫 編

    「強いAI・弱いAI 研究者に聞く人工知能の実像」 丸善出版 pp.124-156.(2017/10/26出版)

  • 我妻広明 (2015)： 人工知能による運転支援・自動運転技術の現状と課題 (Artificial Intelligence for Autonomous Cars and Mobility Services: Trends and Perspectives)，

    計測と制御（計測自動制御学会誌）, Vol. 54, No. 11, pp. 808 – 815.(総説)

私たちの思い描く未来

出発点

生き物や人は傷つき、物質や構造物は失われる怖れがあります。

私たちはその宿命を逃れることはできませんが、様々な困難を乗り越え、課題を解決するための知を創造する力があると考えています。個や組織が知を生み出す力を「知能」といい、知能がどこから来て、どのようなものであって、どこに向かっていくのかを探求することは、宇宙の起源や生命の根源を知ることと同様、重要な研究課題と考えています。

当研究室で取り組む研究課題は、「身体が世界と関わることで生まれる知能の原理を解明する」ことです。生き物は空間、時間、資源など、様々な制限や限界を有し、刻々変化する環境と状況の中で、何らかの答えを出して、命を存続させています。個体あるいは生体を成す境界を、身体と呼ぶとすると、私は、自己自身の身体が接する世界や他者の表現、関係性と状況・課題依存性の情報処理の根本原理を知りたいと考えています。脳と身体の関係で言うなら、それは脳内情報処理、あるいは心と体の問題です。

世の中に、完全無欠の理論や、全ての問題を解決する完璧な方法などは存在しません。

いずれの理論や方法も、必ず利点と欠点を持ちます。だからこそ、その理論や方法を、いつ、どこで、誰が、誰のため、何のために、どのように、どれだけ、どこからどこに向かって行使するかが、問われるわけです。それらを、状況あるいは文脈と言います。

生命はこの世に誕生してから、状況依存的、文脈依存的な解を創出するシステムとしての宿命を背負ったと理解しています。それはおそらく、この宇宙が終焉を迎えるまで、変わらないものでしょう。

理学的な言葉で言えば、宇宙の大原則とも言われる「エントロピー増大の法則（熱力学第二法則）」に対抗して、秩序を形作る営みです。エントロピーは「乱雑さ」を意味し、拮抗する力が存在しなければ、すべてのものは空間に四散し、乱雑になる物理則から逃れることができません。

同種の構造的問題が、生物組織の形成、生体間の物資輸送、代謝、エネルギー変換、情報転送などの生命維持過程に存在します。端的に言えば、大域解と局所解の拮抗であり、調停可能な過程の成立につながります。この問題特性は、社会活動や製造業など、物理的に生み出し、運用、消費する過程で共通に見られるものです。例えば、経済的に豊かになりたいと各個人が考えたとして、それが特定の資源を取り合う形となれば競争となり、資源が限られていることから、競争の結果は、得たものと、得なかったものに分かれることで終結します。これが、固定化することを格差と呼びます。

出発点

自然の不思議

自然界では不思議なことに、状態が固定化されない営みが永続されています。海の水は蒸発し、雨となり、大地に降り注ぎ、山から清水が湧き出し、川が流れることで、多くの生命が存続でき、その水は再び海に流れ込み、最初の状態に戻ります。それを循環と言い、周期（サイクル）があります。生命、あるいは生命を支える自然界の過程は、エネルギー変換や循環過程を内外に維持することで、エントロピー増大に抗っていると言えます。体操選手が、鉄棒で大車輪を回っていることを想像して見ましょう。棒にぶら下がった振り子でも結構です。理屈から言えば、最初に振り子に加える力を別にすれば、一旦回転し始めれば、物が落下する重力によって上段にいるときは位置エネルギーが得られ、下段に落ちれば回転力を得る運動エネルギーに変換されて、回り続けることができます。ただし、これは、摩擦や空気抵抗など、少しずつ減っていくエネルギー消費がない場合のことです。体操選手が回り続けられるのは、位置エネルギーが運動エネルギーに変換される落下時に、必要最小限の振り子の力を加えて、消費した分のエネルギーを解消するからです。雨が降り続けられるのも、地球外の太陽から熱エネルギーが供給されているからで、重力があるのは地球が存続して一定の質量が維持されているからです。一方、太陽や地球の寿命は、地球上の生き物よりもはるかに長いので、生命が活動中に消耗するエネルギーをちょっとずつ外から供給するのに支障がありません。

ここでわかることは、サイクルの生成が生命の出発点で、その維持のために、サイクル中に失われるものの補償を行う必要があるということです。機械的に、振り子を回し続けることは可能です。ただし、毎回の回転に必要となるエネルギーはすべて外部供給しなくてはなりません。生命が自律的だという理由は、自身でサイクルを生成、維持する営みを持ち、そこで回復されない分の最低限を、外から補完する能力を持つからです。ここで言う「知能」は、その営みを生成、維持、安定させる仕組みとして、生体が取り得る方法論です。

社会活動でも、多くの人が格差を悪しきものと考えるのは、生命にとって、本来、周期性のある循環、交換、共存が自然状態と認識しているからでしょう。同様に、国や組織の力学で、個人の選択や自由意志が失われることがあるとすれば、それは知的な活動とは言えません。「空気がなくなるから、全員息を止めなさい」と誰かが言ったとすれば、それは科学的にも社会的にもナンセンスです。酸素は植物の生命活動から生み出されるもので、地球の生命活動が全体として維持される限り、無尽蔵なもので、個々人が息を吸う活動は個の生命活動に必要不可欠なものです。全体の利益のために、個が屍となる社会に未来があるとは思えません。利益の固定化、固着化が生命活動と相反しているということは、自然界が教えてくれています。一方、利益を安定的に確保したいと考えるのは、その生命あるいは利害を共にする家族、組織、団体が根源的に有する「怖れ」から来ていると考えられます。一度、生成したサイクルを、可能な限り永続的に存続させるためには、サイクルが破綻あるいは破壊されないための蓄積や備えは、ある程度必要です。ただし、無尽蔵に蓄える行為は、体内で無限に増殖するがん細胞のようなもので、最終的にその生存環境である個体の死として全体系の終焉を迎え、現実的な解決策ではありません。

「時間」と「空間」を生きるということ

整理すると、生体は資源を同じ環境で生きる他の個体と共有し、空間、時間うまく使い分け、いつ、誰と、どのように、どうやって場や機会を共有、あるいは独立した活動を展開することにより、刻々変化する環境と状況の中で、必要な答えを出して、命を存続させています。

私は、複雑で多様な生命活動から学ぶ知の創出過程は、一元的な最大多数の最大幸福という解の創出原理を超えたものと考えています。時間と空間を無視した総和の算出は、報酬の最大化や経済指数算出には利便性がありますが、個々の人間がそれぞれの仕事に誇りと自信を持ち、自分の価値観で生きる結果として社会が発展する具体的な方法や解決策、指針を打ち出すことに、直接作用しません。私たちは、時間と空間に生き、過去、現在、未来は繋がったものとして、とらえているからです。

一元的で全体主義的な答えと、利己主義を含意しかねない自由意志を前提とした答えを、二者択一と考えると、解決策はありません。個人の価値観と自由意志を尊重し、社会発展や貢献を考える循環社会に向かって私たちが踏み出す道はどこにあるのか、それが、生命から学ぶ知能だと考えます。

その仕組みを解明し、難題を解決するヒントは、時間と空間を扱う数学にあると、私は考えています。

「時間」と「空間」を生きるということ

私たちが目指すもの

「個人の価値観と自由意志を尊重し、社会発展や貢献を考える循環社会」というビジョンに向かって、当研究室の具体的なミッションは、「これらの問題を統一的に扱う数理・実装（実験）手法を脳情報工学の一分野として完成させ、知の創出過程を工学的に再構成可能にする」ことです。

これを「脳型身体性知能」と呼び、

・自己と世界（環境）
・自己と他者
・自己とタスク（課題）

に関わる「身体が世界と関わることで生まれる知能の解明」に取り組んでいます。

興味、関心をお持ちくださいました方は、当研究室にお声掛けください。
国立大学法人大学院として、様々な連携、協力関係の構築、あるいは思索を深める場を共有する営みを続けております。意見交換、見学、コンサルティング、トレーニングコース、修学、共同研究など、可能な限り、提供し続けて参りたいと存じます。