Dynamical system analysis for physical reservoir computing using limit cycles

使用极限环进行物理油藏计算的动力系统分析

• 批准号: 22KJ1786
• 负责人: 明石 望洋
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1786/
• 关键词: レザバー計算; 力学系; 非線形物理学; リミットサイクル; スピントロニクス; ソフトロボット; 機械学習

本年度の主な研究実施事項は、1.リミットサイクルの情報処理能力の理論解析、における解析手法・研究動向の調査と、2.実モデルであるスピントロニクスデバイスと空気圧人工筋肉の情報処理への活用、における数値解析と実機実験である。一つ目の項目について、ニューラルネットワークの力学系埋込能力を、力学系における位相共役の理論に着目して研究を行う受入研究者の指導学生の隔週セミナーに参加して、同アプローチとその周辺研究のポテンシャルと適用制限の調査を行った。また、共同研究者の該当分野に関する輪読セミナーや各種研究集会への参加を通じて、関連研究を行う国内外の研究者と活発な意見交換を行った。二つ目の項目に関して、リミットサイクルの情報処理能力の解析とそれを踏まえた活用法の考案を行った。スピントルク発信器による物理レザバー計算に関して、自身の先行研究では、単一素子による情報処理能力の解析を行っていたが、新たに多素子結合系のフレームワークを提案した。多素子結合系においては結合強度や入力強度を調整することで、リミットサイクルに限らないカオスを含んだ多様な分岐現象を呈することを発見した。更に、それらの分岐に誘導される情報処理能力を記憶容量や有効次元といった一般的指標による解析で評価し、単一素子系を大幅に上回る情報処理能力を持ち得ることを示した。そして、提案したフレームワークにより、ウェアラブルデバイスのセンサー時系列処理の実世界タスクを実際に解けることを示した。本結果は国際会議における発表と、自身が筆頭著者の学術雑誌論文としての出版の成果を得た。また、空気圧人工筋肉において、物理レザバー計算を適用することで、リミットサイクルやカオスといった多様なダイナミクス、更にはこれらを含んだ分岐構造といったより大域的な力学系の構造を埋め込み可能なことを実機実験により明らかにした。この結果は国内会議で発表した。

This year の main な research be matters は, 1. リ ミ ッ ト サ イ ク ル の intelligence 処 mental abilities の theory parsing, に お け る parsing technique research trends と の survey, 2. Be モ デ ル で あ る ス ピ ン ト ロ ニ ク ス デ バ イ ス と empty 気 圧 artificial brawn の intelligence 処 Richard へ の use, に お け る the numerical analytical と be machine be 験 で あ る. A つ mesh の project に つ い て, ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク の buried 込 ability を department of force, force department に お け に の る phase total service theory with mesh し て を line う guided by the researchers の students の セ every other week ミ ナ ー に attend し て, with ア プ ロ ー チ と そ の weeks 辺 research の ポ テ ン シ ャ ル と limitations apply の survey line を っ た. ま の た, common researchers should divide に masato す る wheel 読 セ ミ ナ ー や various research rally へ の attend を tong じ て, masato even research を う の researchers both at home and abroad live と 発 な exchange line を っ た. 2. <s:1> project <e:1> に Related て, リ リ ットサ ットサ <s:1> <s:1> <s:1> <s:1> <s:1> analysis of intelligence processing capacity <e:1> とそれを and まえた application method <e:1> examination case を industry った. ス ピ ン ト ル ク 発 letter implement に よ る physical レ ザ バ ー computing に masato し て, own の first research で は, a plain 単 に よ る intelligence 処 mental abilities の parsing line を っ て い た が, new た に how is child combining の フ レ ー ム ワ ー ク を proposal し た. How is child combining に お い て は bonding strength や into force strength を adjustment す る こ と で, リ ミ ッ ト サ イ ク ル に limit ら な い カ オ ス を containing ん だ others more な を bifurcation phenomenon in す る こ と を 発 see し た. More に, そ れ ら の branching に induced さ れ る intelligence 処 mental abilities を memory capacity や have sharper dimensional と い っ た general index に よ る parsing で review 価 し, a subtype eumelanin 単 を に sharply last time る intelligence 処 mental abilities を hold ち to る こ と を shown し た. そ し て, proposal し た フ レ ー ム ワ ー ク に よ り, ウ ェ ア ラ ブ ル デ バ イ ス の セ ン サ ー series 処 when Richard の world be タ ス ク を be interstate に solution け る こ と を shown し た. This result was presented at the における international conference と, authored by the author が, published in the <s:1> academic 雑 journal paper と, て, <s:1>, and obtained as a た achievement. ま た, empty 気 圧 artificial brawn に お い て, physical レ ザ バ ー computing を applicable す る こ と で, リ ミ ッ ト サ イ ク ル や カ オ ス と い っ た many others な ダ イ ナ ミ ク ス, more に は こ れ ら を containing ん だ branching structure と い っ た よ り の department of large domain な force structure を buried め 込 み may な こ と を be machine be 験 に よ り Ming ら か に し た. Youdaoplaceholder0 results domestic conference で schedule た.

项目成果

Bifurcations and information-processing capability in physical reservoir computing: Case studies of pneumatic artificial muscles and spintronics devices

物理储层计算中的分岔和信息处理能力：气动人造肌肉和自旋电子设备的案例研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Nozomi Akashi;Yasuo Kuniyoshi;Sumito Tsunegi;Tomohiro Taniguchi;Jo Takemoto;Mitsuhiro Nishida;Ryo Sakurai;Yasumichi Wakao;Kenji Kawashima;Kohei Nakajima
• 通讯作者: Kohei Nakajima

Self-organization of physics-informed mechanisms in recurrent neural networks: a case study in pneumatic artificial muscles

循环神经网络中物理信息机制的自组织：气动人造肌肉的案例研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Wentao Sun;Nozomi Akashi;Yasuo Kuniyoshi;Kohei Nakajima
• 通讯作者: Kohei Nakajima

ソフトロボット学入門: 基本構成と柔軟物体の数理

软体机器人简介：柔性物体的基本配置和数学

• 发表时间: 2023
• 作者: 鈴森康一;中嶋 浩平;新山 龍馬;舛屋 賢;明石望洋;岩本憲泰;梅舘拓也;川上勝;川節拓実;川村貞夫;清水正宏;下ノ村和弘;新竹純;高木賢太郎;高嶋一登;多田隈建二郎;田中博人;中田敏是;平井慎一;前田真吾;望山洋
• 通讯作者: 望山洋

A Coupled Spintronics Neuromorphic Approach for High-Performance Reservoir Computing

• DOI: 10.1002/aisy.202200123
• 发表时间: 2022-09-20
• 期刊: ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS
• 影响因子: 7.4
• 作者: Akashi, Nozomi;Kuniyoshi, Yasuo;Nakajima, Kohei
• 通讯作者: Nakajima, Kohei

Physics-informed recurrent neural networks for soft pneumatic actuators

用于软气动执行器的基于物理的循环神经网络

• DOI: 10.1109/lra.2022.3178496
• 发表时间: 2022
• 期刊: IEEE Robotics and Automation Letters
• 影响因子: 5.2
• 作者: Wentao Sun;Nozomi Akashi;Yasuo Kuniyoshi;Kohei Nakajima
• 通讯作者: Kohei Nakajima