Development of Intelligence Robots Development of Intelligent Robots Controlled by Chemical Reaction of Substances

智能机器人的发展物质化学反应控制的智能机器人的发展

基本信息

批准号：
21H03512
负责人：
櫻沢繁
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Future University-Hakodate
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、生物の代謝を模倣したBZ反応によって自律的に膨潤・収縮する機能性高分子（BZゲル）を用いて、「知能」に必要となる「感覚・運動」機能および「判断・学習機能」を実装した化学知能ロボットを実現することを目的としている。今年度は特にBZ反応の複雑な振動現象を活用するレザバー計算（BZレザバー計算）の実現に向けて、数値計算と実験の双方の観点から研究することとした。まず、BZ反応でレザバー計算を行うことができるかどうかを数理モデリングから調査した。モデルでは、BZレザバーの中間層に与えた光の強さを変化させることで、入力や出力の逆投影を行うことにした。BZ反応は、GFモデルに拡散項を付与した反応拡散系で与えられると仮定した。中間層の素子は正方格子上に与えて、その素子上のデータを行列に格納し、素子上の時系列データの線形和が教師データになるように線形和の係数を求めた。そこで、sin波を教師データとして学習した結果、時間が経つにつれて、素子上の時系列データの線形和が教師データのsin波に近づく様子が観察できた。さらに難しい時系列データとして、カオス的な解を生み出すMackey Glass方程式の解についても入力信号に近い解を出力することができた。これらより、数理モデリングの観点からBZレザバーが周期的・非周期的な時系列データを予測できることがわかった。次に、それらが実際の化学反応系において実現可能か否か調べるために、実験系の構築に取り組んだ。中間層（レザバー）のBZ反応溶液を上部からビデオカメラで撮影し、キャプチャーボードを介してPCに取り込み、撮影画像の中から10×10の格子点の輝度変化を記録した。光刺激は415nmのPWM制御Laseによって与え、パルス照射のデューティをマイコンで制御した。これによりSin波を入力信号として与えた時、BZ反応の固有周期に近い時には光刺激に追従するような周期で反応することが分かった。

在这项研究中，我们将使用一种功能性聚合物（BZ凝胶），通过模仿生物体新陈代谢的BZ反应自主膨胀和收缩，以改善“智力”和大脑所需的“感觉/运动”功能。 “智能”所必需的“判断/学习”功能旨在实现具有以下功能的化学智能机器人。今年，我们决定从数值计算和实验的角度进行研究，特别是实现利用BZ反应的复杂振动现象的储层计算（BZ储层计算）。首先，我们通过数学模型研究是否可以使用 BZ 反应进行储层计算。在模型中，我们决定通过改变施加到 BZ 水库中间层的光强度来反投影输入和输出。假设 BZ 反应是由反应扩散系统给出的，其中在 GF 模型中添加了扩散项。将中间层的元素设置在方格上，将元素上的数据存储在矩阵中，并确定线性和的系数，从而将元素上的时间序列数据的线性和作为教学数据。因此，通过使用正弦波作为教师数据进行学习，我们观察到随着时间的推移，元素上时间序列数据的线性和接近教师数据的正弦波。对于更困难的时间序列数据，我们能够输出接近 Mackey Glass 方程输入信号的解，从而产生混沌解。从这些结果中，我们发现BZ水库可以从数学建模的角度预测周期性和非周期性时间序列数据。接下来，我们致力于构建一个实验系统，以研究这些方法是否可以在实际的化学反应系统中实现。用摄像机从上方拍摄中间层（储存器）中的BZ反应溶液，通过捕获板导入PC，并从拍摄的图像中记录10×10网格点的亮度变化。光刺激由415 nm PWM控制的激光器进行，脉冲照射的占空比由微电脑控制。这表明，当将正弦波用作输入信号时，当接近 BZ 响应的自然周期时，响应会遵循光学刺激。