[論文レビュー] Artificial Hormone Reaction Networks: Towards Higher Evolvability in Evolutionary Multi-Modular Robotics

Heiko Hamann, Jürgen Stradner+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2010

Evolutionary Algorithms and Applications参考文献 11被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、進化的なマルチモジュラー・ロボティクスにおける生物学的インスピレーションを受けて設計されたモジュラー制御アーキテクチャとして、人工ホルモン反応ネットワーク（AHHS）を提案する。この手法により、内在的なホメオスタシス的および一時的な行動が実現され、高い進化可能性が達成される。改良版AHHS2は、適合度のランドスケープの滑らかさと因果関係を向上させ、AHHS1と比較して、5モジュールのロボット生物においてより信頼性が高く多様な歩行行動を実現した。

ABSTRACT

The semi-automatic or automatic synthesis of robot controller software is both desirable and challenging. Synthesis of rather simple behaviors such as collision avoidance by applying artificial evolution has been shown multiple times. However, the difficulty of this synthesis increases heavily with increasing complexity of the task that should be performed by the robot. We try to tackle this problem of complexity with Artificial Homeostatic Hormone Systems (AHHS), which provide both intrinsic, homeostatic processes and (transient) intrinsic, variant behavior. By using AHHS the need for pre-defined controller topologies or information about the field of application is minimized. We investigate how the principle design of the controller and the hormone network size affects the overall performance of the artificial evolution (i.e., evolvability). This is done by comparing two variants of AHHS that show different effects when mutated. We evolve a controller for a robot built from five autonomous, cooperating modules. The desired behavior is a form of gait resulting in fast locomotion by using the modules' main hinges.

研究の動機と目的

• マルチモジュラー・システムにおけるロボット制御の高複雑性に取り組む。
• 事前定義された制御アーキテクチャやアプリケーション固有の知識への依存を最小限に抑える。
• 適合度ランドスケープを滑らかにする制御アーキテクチャの設計により、進化可能性を向上させる。
• ホルモンネットワークのトポロジーと突然変異の因果関係が進化的性能に与える影響を調査する。
• 分散型でホルモンベースの制御により、再構成可能なロボット生物における頑健で自己組織的歩行を実現する。

提案手法

• 感覚入力をアクチュエータ制御に変換する反応拡散ダイナミクスを用いて、人工ホメオスタティックホルモンシステム（AHHS）を実装する。
• 非線形でルールベースのホルモン相互作用を用いることで、安定なホメオスタシス的平衡に加え、一時的で探査的行動を可能にする。
• 遺伝的変化が行動に与える影響を制限することで、因果関係を保持する突然変異演算子を適用する。
• 衝突回避および壁への到達という適合度基準を満たす物理ベースのシミュレーションを用いて、5モジュールのロボット生物の制御を進化させる。
• 突然変異行動が異なる2つのAHHSバージョン（AHHS1とAHHS2）を比較し、適合度ランドスケープの滑らかさと進化可能性を評価する。
• ホルモン濃度のダイナミクスとルール構造を分析することで、進化した制御の主要な調節機構を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホルモン反応ネットワークの設計が、モジュラー・ロボティクスにおけるロボット制御の進化可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 突然変異の因果関係（小さな遺伝的変化 → 小さな行動的変化）を改善することで、適合度ランドスケープの滑らかさはどの程度向上するか？
• RQ3 事前定義されたトポロジーもタスク固有の符号化も行わないホルモンベースの制御は、多様で効果的な歩行を進化させられるか？
• RQ4 非線形的ホルモン相互作用と拡散は、モジュラー・ロボット生物における自己組織的歩行の出現にどのように寄与するか？
• RQ5 制御のモularityと均一性（すべてのモジュールに同一の制御を適用）は、自己組織的役割選択を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 突然変異の因果関係が向上したAHHS2では、適合度が元の値に近い突然変異制御の割合が0.81に達したのに対し、AHHS1では大多数の突然変異制御が適合度<0.2にとどまった。
• AHHS2で進化した制御では、AHHS1と比較してより滑らかで信頼性の高い歩行行動と、より高い行動の多様性を示した。
• ホルモン$H_4$はヒンジの+90°への延長を主に制御し、$H_3$は-90°への屈曲を誘発する。$H_3 > 0$の状態では$H_4$の抑制を示すルールが存在した。
• ホルモン$H_2$はモジュール間で波状に拡散し、前方から後方へ信号を伝播させることで、協調的な運動を可能にした。
• 多数の進化した制御が壁に到達し、それ以上に進むことができたことから、効果的な歩行パターンの形成が確認された。
• システムは整数出力インデックスと0.5を超える重みを持つ特化したルールを進化させ、ホルモン調節における機能的最適化が示された。