予測不能な環境変化に対応する歩行パターンの自律生成

自主生成行走模式以应对不可预测的环境变化

基本信息

批准号：
05267206
负责人：
矢野雅文
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1993
资助国家：
日本
起止时间：
1993 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-05267206/
关键词：
非線形振動子神経回路網運動制御歩行パターン情報生成

项目摘要

生物における情報処理の特長はその柔軟性とリアルタイム性にある。我々は変化に応じて情報を生成出来るシステムでなければ、予測不可能な環境変化に対応できる運動制御システムは構築できないという立場から、新しい運動制御システムを構成した。システム構成の要素;環境と運動システムが調和的な関係を作るという立場から、神経細胞の機能を数学的に表現でき、しかもよりシンプルな方程式が必要となる。我々は次の新しい非線形方程式(非線形振動子)が適当であることを発見した。d^2X/dt^2+(a_1X^2+b_1X+c_1)dX/dt+(a_2X^2+b_2X+c_2)X+d=0。システムの構造;これらの振動子からなる神経回路網の構造は、昆虫の中枢神経系の生理学的知見から決定した。システムが情報を生成するルール;目的速度を実現するという条件の下で、各肢におけるエネルギー消費を、最適に分配させるという原理を神経回路網の機能とした。これにより、各筋肉が最適効率で働くように、協調的あるいは競合的に相互作用することによって制御情報を生成する。この関係生成ルールを我々は「最大多数の最少不満足」則と呼ぶ。結果は、歩行パターンは速度を挙げていったときにGait2からGait1に変化することである。中肢と前肢あるいは中肢と後肢は逆位相で動く。Gait1とGait2の違いは前肢と後肢の位相関係である。このモデルでは実験とよく合う結果が得られるし、摂動にも非常に強い安定したパターンである。速度を上げていった時と下げていった時ではパターン変化の起きる速度が異なり、一種のヒステリシスを示す。これらの変化が競合と協調によって起きる相転移現象であることを示している。さらにエネルギー変換効率を計算してみると単位距離当りの消費エネルギーは殆ど変わらない。これは馬の歩行実験で得られている実験結果と良く合う。

信息处理在生物体中的独特特征是其灵活性和实时性质。我们已经从一个角度构建了一个新的电机控制系统，即如果没有一个可以生成信息以响应变化的系统的系统，我们就无法构建一个可以响应不可预测的环境变化的电机控制系统。系统构建的要素；从环境和电机系统之间的和谐关系的角度来看，有必要以数学表达神经元的功能，并且需要更简单的方程式。我们发现，以下新的非线性方程（非线性振荡器）是适当的：d^2x/dt^2+（a_1x^2+b_1x+c_1）dx/dt+（a_2x^2+b_2x+c_2+c_2）x+d = 0。系统结构；由这些振荡器组成的神经网络的结构取决于昆虫中枢神经系统的生理发现。神经网络的功能是在系统生成信息的条件下在每个肢体中最佳分配能量消耗的原则。实现目标速度。这是通过合作或竞争性交互来产生控制信息的，使每个肌肉都以最佳效率起作用。我们称这种关系生成规则为“主要的不满意规则”。结果是，随着速度提高，步行模式会从步态2变为gait1。中前和前肢，或中间和后肢在相反的阶段移动。步态1和GAIT2之间的差异是前肢和后肢之间的相位关系。该模型提供了与实验非常吻合的结果，并且是对扰动非常抗性的稳定模式。当速度提高并降低速度时，模式变化的速度也不同，表明磁滞。这些变化表明它们是通过竞争与合作发生的相变现象。此外，在计算能量转换效率时，单位距离的能量消耗几乎保持不变。这与从马步行实验获得的实验结果非常吻合。