[論文レビュー] A Review of 40 Years of Cognitive Architecture Research: Core Cognitive Abilities and Practical Applications

Iuliia Kotseruba, John K. Tsotsos|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2016

Cognitive Science and Mapping参考文献 485被引用数 53

ひとこと要約

本論文は、認知アーキテクチャ研究における40年間の包括的レビューを提示し、知覚、注意、記憶、学習、推論、行動選択といったコアな認知機能をカバーする84のアーキテクチャ（うち49は現在も開発中）を分析している。900件を超える実用的応用事例を統合し、可視化による傾向の特定を行い、今後の認知科学およびAI開発を導くために、研究が不足しているメカニズム的側面を明らかにしている。

ABSTRACT

In this paper we present a broad overview of the last 40 years of research on cognitive architectures. Although the number of existing architectures is nearing several hundred, most of the existing surveys do not reflect this growth and focus on a handful of well-established architectures. Thus, in this survey we wanted to shift the focus towards a more inclusive and high-level overview of the research on cognitive architectures. Our final set of 84 architectures includes 49 that are still actively developed, and borrow from a diverse set of disciplines, spanning areas from psychoanalysis to neuroscience. To keep the length of this paper within reasonable limits we discuss only the core cognitive abilities, such as perception, attention mechanisms, action selection, memory, learning and reasoning. In order to assess the breadth of practical applications of cognitive architectures we gathered information on over 900 practical projects implemented using the cognitive architectures in our list. We use various visualization techniques to highlight overall trends in the development of the field. In addition to summarizing the current state-of-the-art in the cognitive architecture research, this survey describes a variety of methods and ideas that have been tried and their relative success in modeling human cognitive abilities, as well as which aspects of cognitive behavior need more research with respect to their mechanistic counterparts and thus can further inform how cognitive science might progress.

研究の動機と目的

• 過去40年間の認知アーキテクチャ研究を広範かつ包括的に概説し、数少ない代表的アーキテクチャに限定した狭いレビューから脱却すること。
• 知覚、注意、記憶、学習、推論、行動選択といったコアな認知機能を、広範なアーキテクチャ群にわたって特定し、分析すること。
• 認知アーキテクチャの実用的応用をマップし、評価する。900件を超える実装済みプロジェクトのデータを収集し、実世界への影響とトレンドを明らかにすること。
• 今後の認知科学および人工知能の発展を導くために、人間の認知における未だ十分にモデル化されていないメカニズム的側面を特定すること。
• 可視化技術を用いて、認知アーキテクチャ研究の進化と多様性を可視化し、神経科学から精神分析に至るまでの学際的影響を強調すること。

提案手法

• 神経科学、心理学、AIなど多様な分野から、現在も活発に開発されているものを中心に、84の認知アーキテクチャを体系的に収集・整理した。
• 標準化されたフレームワークを用いて、コアな認知機能の実装に基づき、アーキテクチャを分類し、システム間のメカニズムを比較した。
• 調査対象のアーキテクチャを用いた900件を超える実用的プロジェクトのデータを収集・分析し、応用分野、ユースケース、展開環境を抽出した。
• 可視化技術を応用して、アーキテクチャ開発におけるマクロレベルの傾向を特定し、焦点の変移、学際的統合、技術採用の動向を明らかにした。
• 人間の認知機能をモデル化するさまざまなアプローチの相対的な成功度を評価し、メカニズムの整合性とスケーラビリティを検証した。
• 得られた知見を統合し、生物学的に妥当なメカニズムを用いた複雑な認知行動のモデル化における未解決の研究課題を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去40年間の認知アーキテクチャ研究において、支配的であるとされるコアな認知機能は何か。また、それらはシステム間でどのように異なるか。
• RQ2 設計原理、学際的影響、実用的展開の観点から、認知アーキテクチャはどのように進化してきたか。
• RQ3 認知アーキテクチャを用いた実世界の応用の範囲と多様性はどの程度か。特に、どの分野で最も広く採用されているか。
• RQ4 現在のアーキテクチャにおいて、人間の認知のどの側面が未モデル化または不十分に機械化されているのか。その理由は何か。
• RQ5 認知アーキテクチャの知見統合は、今後の認知科学および人工知能分野における進歩をどのように促進できるか。

主な発見

• 調査では84の認知アーキテクチャを同定したが、そのうち49は現在も活発に開発されており、分野における持続的かつ拡大する関心の兆候である。
• 知覚、注意、記憶、学習、推論、行動選択は、アーキテクチャ全体にわたって一貫して取り上げられているコアな認知機能である。
• 900件を超える実用的応用事例が収集され、ロボット工学、教育、医療、ヒューマンコンピュータインタラクションなどの分野で広く活用されていることが示された。
• データの可視化により、神経科学にインspiredされたメカニズムの統合が増加しており、リアルタイムおよびインタラクティブシステムへのアーキテクチャの活用が拡大していることが明らかになった。
• 進展はあるが、高レベルの推論、感情処理、社会的認知のメカニズムは依然として未発達であり、今後の研究が不可欠である。
• 分野は強い学際的根拠を持つが、精神分析、神経科学、認知心理学、AIからインスピレーションを受けてはいるものの、統一的理論フレームワークを欠いている。