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

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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。