生産と技術

第62巻第３号（2010）

知能的行動における陰的制御と陽的制御＊

大須賀 公 一

研究ノート

Implicit Control and Explicit Control in Intelligent Motion
Key Words：Intelligent, Motion, Control, Implicit, Explicit

１．はじめにためにしばしば，シロアリを実験室に連れ帰り彼らオーストラリア北部ノーザンテリトリー（ダーウの脳を詳細に解析する．そして驚愕する．「この小ィンが首府）には高さ数ｍにもなる巨大な蟻塚群さな脳（微小脳）のどこにも蟻塚を建設するためのを構築するシロアリが数種類生息している [1]．こ設計図は埋め込まれていない，しかも非常に高い能の蟻塚一山には数百万匹ものシロアリが住んでおり，力を持ったシロアリが少数いて彼らが全シロアリを無数の役割分担された部屋が作られ，吸気や排気の指揮しているようにも思えない．」と．．．実に不思ためのネットワークも構成され，いわば一大都市国議である．一匹のシロアリの脳の中には蟻塚の設計家が建設されていると言えよう．図１参照 [2]．

図は描かれていないのに彼らを蟻塚の「場」におい

あの小さなシロアリたちのどこにあのように巨大てやるとあたかも役割を認識しているかのように蟻な構造物を設計し建築する能力が備わっているのだ

塚の中における自分の役割を果たすように行動する．

ろう．この種の問いかけは人類に古くから投げかけしかも，その行動は様々な環境の変化に対してもリられてきた素朴な疑問である．我々はこの謎を解く

アルタイムに適応しているように見える．ところがそのシロアリを「場」から離すとそのような能力は消失してしまうように見える．
本稿では，このような基本的に素朴な不思議に対する解へ少しでも近づこうと筆者らが最近考えていることを紹介したいと思う．そして，そこで考察することが現在の知能ロボットと呼ばれるロボットが知能を持っているように見えない一つの理由ではないかという推察を行ってみる．
２．生物の制御系
我々は，生物が持っている知的な行動 ･ 運動能力を理解するためには，それが運動を前提に構築され

図１

磁石シロアリの蟻塚 [2]ているはずだから，生物を制御系として捉えた時に見えてくる制御則を深く理解するところからはじめ＊Koichi OSUKA

1959年11月生
大阪大学・大学院基礎工学研究科・物理系専攻修士課程修了（1984年）
現在、大阪大学 大学院工学研究科機械工学専攻 教授 工学博士 制御工学・ロボット工学・レスキュー工学
TEL：06-6879-4878
FAX：06-6879-4878
E-mail：osuka@mech.eng.osakau-u.ac.jp

るべきである，という考え方を持っている．すなわ
ち，生物を図２のように捉えようという発想である（実は後ほどこの考え方は肯定的に否定されることになる）．
さて，前章であげたシロアリの例は，生き物が持っている「リアルタイム環境適応機能 1」という一種の知的能力の一具現化である（知能的行動）．そしてそのとき感じた不思議さのポイントは「脳の中− 47 −

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れる．しかし，近年，（脳神経系が全く無い）４脚
受動的動歩行 2 の存在が実験で示された [4]．そして，本機の詳細シミュレータによると傾斜面の変化に応じて歩行パターンが変化するシミュレーション結果が得られている．すなわち，脳神経系が無くても，図２身体のみで上に見た除脳猫と同様の行動が発現する従来的な制御系の表現可能性を示している．加えて，２脚の受動的動歩行には，その生き物が行っている作業に関する行動 ･の存在性と分岐現象 [5] や安定解析 [6]，成長に対運動制御プログラム（制御則）が陽に全て記述されする適応性 [7] などが報告されており，さらには，ているわけではないのに，結果的にはそのプログラ２脚の受動的走行のシミュレーションや実験によっムを越えた行動 ･ 運動が発現している（ように見えてその存在性が示されてきている [8].
これら歩行現象の例は先のシロアリの例よりももる）」というところである．
このような例はまだ他にもある．たとえば，図３

っと極端で，いわゆる制御則が全く無いのに制御さはトレッドミルの上に置かれた猫である．この猫は，れているかのように思える．特に２脚受動的動歩行

トレッドミルの速度に応じて歩行パターンを変化さについては，定性的な説明ではなく，安定化のためせる能力を有している．すなわち，トレッドミルののフィードバック構造がシステムに内在しているこ

速度が遅いときはウォークという歩行パターンで歩とが理論的に示されている [6]．しかも脚機構と斜き（同図左），少し早くなるとトロットになり（同面を切り離すとフィードバック構造は消失する．ち図中），より早くなるとギャロップになる（同図右）．

ょうどシロアリを蟻塚という「場」から引き離すとこの説明ではなんら驚くべきことはないが「実はこ蟻塚を構築する能力が消えるのと同様である．の猫は除脳ネコである [3]」と言われたらどうだろ

これらの状況を鑑みると，(1) 生物の制御系におうか？ すなわちこの猫は，常識的には制御則であいては，制御則が独立に区別されているとは限らず，るとされる大脳が除去されているのである．それに制御対象や場との境界が不明瞭になっているのではも関わらず，ある種の環境適応能力（地面の移動速ないか，(2) いわゆる制御則が除去されても何等か度に応じて歩行パターンを変化させる）を有していの制御則と見なせる要素が制御対象と場との間に残ることを本実験は示唆している．その理由の有力なることもあるのではないか，(3) その要素は制御対説明の一つとして，残留神経系の中に CPG(Central

象と場とが分離すると消失するものではないか，とPattern Generator) が構成されており，それが歩行いう考えが自然に生まれてくる．
以上の考察から，生物を制御系として捉えたときパターンの変化を生み出している，という説がある．の表現としては，図２のような通常の制御工学で見確かに CPG は大きな効力は果たしていると考えら

図３

除脳猫（T. G. Brown, 1939）[3]

1 動くことができる生物が持っている，無限定環境下における2 アクチュエータを持たない脚構造が緩やかな坂道を歩き下る

リアルタイム環境適応能力のことを「移動知」と呼ぶこともある．これは科研費特定領域のプロジェクト（領域代表：淺
間一，期間：平成 17 年〜 22 年）[9] で生まれた造語である．

現象で，このような現象そのものは古くから知られていたがロボットの分野で強く認識されるようになったのは 1990 年くらいからである [10]．

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られるブロック線図ではなく図４のように捉えるべ働き，(c) 相互作用がなくなるとそれと共に消失すきではないかという考えに至る．ここで重要なのは，るものである，と捉える．ただし，図５左（あるい(a)「場」を陽に考慮している，(b)「制御対象」，「制は図４）のように前から見ると他の要素と重なって御則」，「場」が重なっている，点である．筆者らはおり，その存在に気づき難くなっていると考える．

(a)(b) を併せて「不可分問題」と呼び，生物制御系その意味で（もし存在するならば）この要素を「陰を考える上で重要な観点の一つであると推察してい的制御則」と名付け，これまでの制御則をあらためる．て「陽的制御則」と呼ぶことにする．そして，『「制御則」とは「陰的制御則」と「陽的制御則」を併せたものである』とする．これが本稿の最も言いたいポイントである．
なお，本稿では紙面の制約上定性的な記述でとどめているが，いくつかの具体的な例に対して実際に陰的制御則を定式化している．文献 [11][12] などを参照されたい．
図４

生物制御系の捉え方

４．生物の環境適応機能と陰的制御
これまで生物制御系における制御則を漠然と一体

３．陰的制御と陽的制御化して捉えていたのを，前章で導入した「陰的制御

本章では，先に問題提起した「不可分問題」を解則」と「陽的制御則」からなると考えると，いくつく方法を考察することによって，これまで述べてきかの不思議に対して納得のゆく解釈が可能になるとた生物制御系が有する不思議さに迫ってみよう．

考えている．

「不可分問題」において最も重要なポイントは制

まず，シロアリについては，彼らの微小脳は小さ御対象と場（さらには制御則）とが「重なっている」な陽的制御則を意味し，その彼らが巨大な蟻塚を構という定性的な感覚をどう捉えるかである．これに築する能力が発現しているのは，シロアリ（制御対対して筆者らは次のような考え方を提案している象）と蟻塚（場）との相互作用によって陰的制御則[11][12]．すなわち，図４のように見える制御系はが表出し，陰的制御と陽的制御を併せて高度な行動

少し斜めからみる（図５左）と，実は図５右のようが可能になっていると解釈できる．に制御対象，制御則，場の間隔があいており，そのまた，除脳猫やそのもっとも極端な現象である受間に第４の要素が存在しているのではないか，とい動的動歩行においては，陽的制御則がほとんど無くう考え方である．この第４の要素は，(a) 制御則 ･（あるいは全く無く）すべて陰的制御則で歩行を実制御対象 ･ 場の間に埋め込まれており，(b) これら現していると見なせる．ここで興味深いのは，このの相互作用によって生まれ，ある種の制御則として陰的制御則はトレッドミルの速度や斜面の傾斜角の変化，すなわち場の変化，に対して歩行パターンを適応的に変化させる能力を持っているという点である．
さらに，これらの例において重要でありかつ環境適応機能を発現する契機になっていると推察しているのが，陰的制御則が持っている「制御対象と場との相互作用によって表出し，その相互作用が無くなると消失する」という性質である．これはすなわち，場の変化は陰的制御則の変化として制御対象に影響が及ぶことを意味し，それゆえ，その上位に制御性

図５

陰的制御と陽的制御能をさらに高めるべく構築される陽的制御則は，陰− 49 −

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的制御則の変化に適応するように設計されるという６．おわりに設計指針が生まれると解釈できる．あるいは，全体様々な動くものをみていると，なぜこんなに簡単の制御性能を得るために必要な制御計算を陰的制御な制御則しか内蔵されていないのに，このように合則に委ねているとも解釈でき，その結果，単純な陽目的な作業が実現できるのだろうか，と疑問に思う

的制御則によって所望の行動が実現できるという考ことがある．この感覚は生物でも人工物でも味わうえ方も成り立つ．

ことがある．特に微小脳しか持っていない昆虫の動まとめると，『生物の環境適応機能の発現には陰きなどをみるとしばしばそのように感じる．このよ的制御則の存在が不可欠であり，生物はこの陰的制うなとき，筆者らは，制御対象と場の相互作用によ御則を活かすことができる陽的制御則を構成していって陰的制御則が生まれており，それが陽的制御則る（図６参照）．そしてその機能の理解には陰的制を補完しているように見える．ロボットに対してリ御則と陽的制御則のどちらかがわかればいいのではアルタイム環境適応機能を期待する場合も，まさになく，両方を併せた考察が必要である．すなわち，同じような問題に直面すると言えよう．いくら陽的これまでの研究で抜けていたのは陰的制御則である．
』

制御則の能力を高めても昆虫のような環境適応能力という仮説の提案である．

が見えてこない理由の一つに陰的制御則を考慮してこなかったことがあるのではないだろうか．
ここで紹介した議論はまだまだ仮説の段階で，今後はより多くの実例の探索と理論解析，そして，生物における陰的制御則の発見を目指す必要がある．
また，従来の制御工学のように「場」を制御系の外と考えるのではなく，一体化して陽に考慮する制御系を考えると興味深く，いわゆる制御理論が外に広がって行くに違いない．

図６

知能的行動における双対構造

謝辞：本研究は，文部科学省科学研究費補助金特定領域研究「身体・脳・環境の相互作用による適応的運動機能の発現−移動知の構成論的理解−」で得

５．ロボットの知能化と陰的制御
本稿では生物のリアルタイム環境適応機能に注目られた成果に基づいている．また，本原稿の内容は，し，そこに存在する「不思議」を起点に議論してき石黒章夫氏（東北大学），鄭心知氏（ASTEM），杉た．そして前章末の「まとめ」のような仮説を紹介

本靖博氏（大阪大学），大脇大氏（東北大学）らとした．そこでの議論の前提には生物が想定されてはの議論の中で生まれた．ここに謝意を表す．

いるが，実は，本稿の内容は生き物のみならずロボット等のように環境適応機能を付加しようとしてい

参考文献

る知能機械システムの制御系設計にも通ずることに[1]

マイク・ハンセル（長野 , 赤松共訳）：建築す気がつく．すなわち，ロボットにおいてもリアルタる動物たち - - ビーバーの水上邸宅からシロア

イム環境適応機能を実現することは生物の場合と力リの超高層ビルまで，青土社 (2009)

学的には同様な状況であるはずなので，その実現の[2]

entry-520.html

ためには陽的制御則の高度化を目指すことに加えて，陰的制御則の存在を陽に意識してそれを巧く取り込[3]

T. G. Brown : Decerebrate Cat Movie (1939),
in Video: The Basal Ganglia and Brainstem

むことが重要である，という結論が得られる．もちLocomotor Control, by E. Garcia-Rill(1989)

ろん，ロボット身体と環境との相互作用の重要性はこれまでにも意識され，議論されてきているが「陰http://australianpelican.blog54.fc2.com/blog-[4]

K. Nakatani, Y. Sugimoto, K. Osuka:的制御則」という考え方をもつことでより問題が明Demonstration and Analysis of Quadrupedal

確になるのではないかと考えている．

Passive Dynamic Walking, Advanced Robotics,− 50 −

生産と技術Vol.23, No.5, pp.483-501(2009)[5]

Vol.18, No.5, pp.737-742(1999)

[7]

[9]

移動知 HP:http://www.robot.t.u-tokyo.ac.jp/
mobiligence/[10] T. McGeer: Passive Dynamic Walking, Int. J.

杉本，大須賀：受動的動歩行の安定性に関す

of Rob. Res., Vol.9, No.2, pp.62-82(1990)

る一考察−ポアンカレマップの構造解釈から[11] 大須賀：制御系における「埋め込み問題」とは？のアプローチ，システム制御情報学会論文集 ,−生物／人工物の運動制御機能の理解に向け

Vol.18, No.7, pp.255-260(2005)て，システム / 制御 / 情報，Vol.53, No.12,M. Iribe and K. Osuka: Design of the Passive

pp.494-499 (2009)

Dynamic Walking Robot by Applying its[8]

第３号（2010）

ROBOMEC2009, 2P1-D05(2009)

大須賀，桐原：受動的歩行ロボット Quartet IIの歩行解析と歩行実験，日本ロボット学会誌，

[6]

第62巻

[12] 大須賀，石黒，鄭，杉本，大脇：制御系に埋めDynamic Properties, Journal of Robotics &込まれた陰的制御則が適応機能の鍵を握る！
？，

Mechatronics, Vol.19, No.4, pp.402-408(2007)

日本ロボット学会誌，Vol.28, No.4(2010,5)

小山，山口，大脇，石黒：弾性要素を活用し( 掲載予定 )た受動走行の実機実現，日本機械学会− 51 −