認知発達ロボティクスによる
コミュニケーションの創発にむけて
浅田 稔
JST ERATO 浅田共創知能システム 大阪大学大学院工学研究科 NR研究会 ＠ATR 2006年3月8日ロボカップ
2005大阪
330チーム（3１カ国･地域） 1865人，来場者数182千人本日のおはなし
１．ヒューマノイドサイエンス：黎明期 １．シンボル/コミュニケーション/身体性 ２．発達の多様相 ２．認知発達ロボティクスとは？ １．基本的な考え方 ２．音声模倣の例 哺乳類ヒューマノイド・サイエンス
機械 ロボット ヒューマノイド? 動物 霊長類 我 々 を理解 す る新 たな方 法新
たな
ロボ
ット
設
計
の
ヒン
ト
何が可能か？
人間レベルでの理解を目指したとき，既存の学 術分野(ミクロかマクロ)ではアプローチしにくい ところ．はざま，際．．． 説明原理 v.s. 設計原理 １．発達の視点 → 埋め込みと環境の設計 ２．複数脳の相互作用 → コミュニケーション身体認知科学的手法
身体認知科学的手法によるコミュニケーション の創発と理解にむけて １．人間型ロボットを用いた行動生成（学習、教示、 模倣）を実現し、生体とのコミュニケーションに 至る過程の構成論的理解 ２．乳幼児及びロボットの認知／行動発達、ならび に発声や共同注意によるコミュニケーションの 構成論的理解構成的アプローチの意味
(I)
「作ることによる理解」 従来の科学的手法が不得意とする主体性をもっ た対象へチャレンジできる．もともと従来の科学的 手法は，主体性をはぎ取った客観的存在としての 対象を見いだすことで可能となる．一方，構成論 的手法では、主体性をもった要素システム群とそ れらの間の相互作用を構成し，その全体のシステ ムを客観的対象として考察の対象とする．すなわ ち，主体性を客観性の中に埋め込む（橋本)．構成的アプローチの意味
(II)
人工物の設計論の観点からは， １．ヒトやロボットにどのような能力や構造が埋め込 まれるべきか？ ２．環境，特に他者とのどのような相互作用がコミュ ニケーション能力の創発を導くか？ ３．時間的発展はどのような構造をもちうるか？ といった疑問に答えなければならない．またヒト をはじめとする生物とのアナロジーや相同性を 議論するためには，これらの背景にある神経科 学的基盤や行動学的レベルの検証も必要．理想のロボット
表出される行動が，段階的であっても，内部 はシームレスに繋がる構造が必要である．そ れは，身体，環境，タスクを一体としてとらえて， 時間とともに進展していくものでなければなら ない． 進展の一つの重要な方向は，階層化構造に よる表象の抽象化であり，そのプレッシャーは 他者との関わりから生じる．これは，とりも直さ ず，シンボル化によるコミュニケーションの創 発であり，自律性/適応性/社会性の表れでも ある．シンボルの階層性から
コミュニケーションへ
(1)
米国の哲学者C. S. Peirce： シンボルに至る階層性として， イコン，インデックス，シンボ ルを区別し，サインがもつ属 性とそれが表す物理的対象 の属性との関係を定式化し た[Deacon98,Kaneko99]. イコンレベルの レファレンス インデクスレベル のレファレンス シンボルレベル のレファレンス イコンはサインと対象の相似性，すなわち本物 に似ているということ．ロボットの場合には，感覚 や運動などの末梢系の表現と思えばよい．シンボルの階層性から
コミュニケーションへ
(2)
インデックスはサイン と対象の何らかの物 理的時間的結合によ り結ばれる．動物の交 信のほとんどがこの類 と理解されている． シンボルはサインと対 象のいかなる物理的 属性とも関係しない何 らかの形式的，もしく は単なる合意の上で の規約で結ばれた表 現 [Deacon98,Kaneko99]シンボルの階層性から
コミュニケーションへ
(3)
Peirceの考え方 シンボルシステムの階層性 は，異なる3つのレファレン ス形式がある． レファレンスは解釈する側 によって異なるが，階層の 順序性(上位から下位，もし くはその逆)が維持される． 上位が必ず下位を内包す る．シンボルの階層性から
コミュニケーションへ
(4)
人工システム内で利用されているシンボルは解 釈する側のレファレンス能力によってしかシンボ ル化されない．グラウンドしてシンボル足りえるに は，人工システムがこのイコン，インデックスレベ ルのレファレンスを内包したシンボル化過程をも つ必要 可能性は，身体をもって環境と相互作用すること が必要条件 ∵イコン，インデックスレベルからシ ンボルに至る体験(上位方向)とシンボル化された ものを異なるコンテキストで再利用するために，イ ンデックス，イコンのレベルのレファレンスの想起 (下位方向)が必要再考：身体性
(1)
1. 知覚と行動の密結合 2. 資源制約（記憶容量，処理能力， 制御能力など）下での感覚運動 系のマッピング学習能力(環境と の相互作用). 3. タスクや環境の複雑さの増加に 対する適応発達能力，既存学習 結果の新たな状況への適用． 自律的発達機構 環境設計 [Asada99c]再考：身体性
(2)
身体図式は空間認知によって生成される．空間 (時間)によって時間(空間)が予測される． 運動イメージは身体図式に基づいて生成される． 運動イメージによって脳は活性化される． 自己中心的な空間知覚に関する情報を統合した 自己の身体のダイナミックな意識→身体図式 体性感覚情報と背側経路の視覚情報との統合 それらのBimodalニューロンの発見→触覚的な 空間位置と運動の弁別ならびに身体パターンの 体性感覚と視覚の両方の反応． [森岡周05] [Iwamura98,田岡04]再考：身体性
(3)
Bimodalニューロン：道具による身体イメージの 延長 身体図式→自分の身体の姿勢や動きを制御する 際にダイナミックに働く無意識のプロセス 身体イメージ→自分自身の身体について意識的 に持つ表象 脳内で外部環境(視覚)と身体図式の相互作用 [Irikiら,96,01]より[Head & Holmes11]
再考：身体性
(4)
脳の生物学的変化あるいは学習の結果として， 自分の行為と他者の行為に共通したコード→共 鳴行動[Shepard84] ミラーニューロンの発見[Rizzolatti96] [村田哲03]より身体性からコミュニケーションへ
環 境 ロボット 人間 知覚/行動 知覚/行動 言語 シンボル 認知発達 インデックス インデックス イコン イコン 共同注意模倣 [浅田，國吉06：ロボットインテリジェンス]外界 (他者，物体) 動的相互作用 イコン インデックス シンボル 拘束の集合 社会的相互作用 漸次的過程 神経修飾，価値と神経可塑性 自己組織化過程 ・自由度と運動 ・自発探索運動 ・範疇化 ・感覚運動統合
発達の
多
様相
発達の多様相：
外から観測した場合，
どのように見えるか？
(1)
赤ちゃんの発達過程を外部 から観測した場合，さまざまな サブシステムが異なる速度で， 質的にも，量的にも変化 Æ漸次的過程． 中央制御ではなく，分散かつ 自己組織化的 発達段階の後段の構造は， 前段の不完全で効率の悪い 構造と行動表現の上に構築 [Lungarella_Metta_Pfeifer_Sandini03]発達の多様相：
外から観測した場合，
どのように見えるか？
(2)
乳幼児の生態学的な意味で の拘束は，必ずしもハンディ ではなく，限られた能力で処 理することが次につながる (拘束の集合)． 言語習得に関しても，子供の ハンディが逆に習得を容易に しているともいわれている． 拘束は個体発生的適応のイ ンスタンスと解釈できる．それ は発達を通じて環境にユニー クに適応する． [Newport90,Elman_et_al96]発達の多様相：
内部で何が起きてい
るか？
(1)
赤ちゃんの内部 →自己組織化過程 脳，身体，環境の間の共同作 用もしくはパタン生成の固有の 傾向は，entrainment，あるい はintrinsic dynamics →自己組織化の典型例． 設計要素→CPG：動的二足歩 行問題で神経系と筋骨格系を 合わせた位相空間でリミットサ イクルアトラクタが形成される →global entrainmentの概念 [Taga_et_al91,Taga95]発達の多様相：
内部で何が起きてい
るか？
(2)
運動実現過程の問題→自由度． 新生児の運動制御能力は貧困．ハ イハイ，歩行機による歩行，歩行， 到達運動，把持などの発達的進歩． 「超多自由度の運動機構系に対し て，どのように運動を構造化する か？」→Bernstein問題． [Sporns_Edelman93] 自己探索活動：自身が発生した運 動の知覚のシステマティックな探索 活動が「身体的に自己を知覚する」 といわれている． [Rochat98, Rochat_Striano00]発達の多様相：
内部で何が起きてい
るか？
(3)
自身の能力の探索が発達と行 動変容の一つの駆動力，より適 応的で効率の良い解の探索，発 見，選択[Rochat98, Rochat_Striano00] 新生児の口接触→身体バブリン グ．自己探索活動を通じて自身 の身体ダイナミクスを学習．自 己組織化過程[Meltzoff_Moore97] 自発運動→初期乳幼児の運動 発達に先立ち，重要な役割．多 重の拘束の脈絡でのさまざまな 筋-骨格組織の探索．発達の多様相：
内部で何が起きてい
るか？
(4)
胎児から新生児まで，さま ざまな自発運動はgeneral movements．ランダムで はなく様々な秩序パタンを 含む大変複雑な運動→自 己探索活動などのベース 能動的な探索と操作の結 果→知覚範疇と概念形成 知覚範疇は感覚系と運動 系の相互作用に依存する (範疇化と感覚運動統合)発達の多様相：
自己組織化を支える
ミクロとマクロ構造は何か？
(1)
神経修飾物質→脳に 拡散して影響を及ぼ す．大脳新皮質，海 馬，大脳基底核，小 脳，脊髄などに投射 神経ネットワークの構 築と調整および，強 化学習などにおける 価値システムとしての 効用 (価値と神経可 塑性)発達の多様相：
自己組織化を支える
ミクロとマクロ構造は何か？
(2)
神経修飾物質の機能の計 算モデル→メタ学習の計算 モデルから予測する研究 [Doya02]． 社会的相互作用：典型例 は，養育者による（足場作 り）→認知的，社会的，技 能的発達に重要な役割 乳幼児は養育者の反応に 対する感受性期があり，そ の間，養育者はタスクの難 易度を調整本日のおはなし
１．ヒューマノイドサイエンス：黎明期 １．シンボル/コミュニケーション/身体性 ２．発達の多様相 ２．認知発達ロボティクスとは？ １．基本的な考え方 ２．音声模倣の例認知発達ロボティクス
内部観測者仮定の下に，ロボットを設計，作動さ せ，理解の過程をロボット自身が環境との相互作 用の中で見いだすことを期待 ヒトの認知発達過程の理解を目指す．出来上がっ たものをコピーするのではなく，出来上がる過程に フォーカス! 認知の帰結は主観的だが，過程そのものは客観 視可能． 「作ることによる理解」から「作ってみないとわから ない」へ 新たなロボット設計論の確立を目指す． 認知発達モデル システム構成への仮説 システム構成による仮説検証 新たな認知科学的仮説の生成 外界 (他者，物体) 動的相互作用 動的相互作用 工学的 ア プ ロ ーチ 脳科学 ・ 神 経 科学・ 発 達心 理・ 認知科学 など の ア プ ロ ーチ認知発達ロボティクスの概念
認知発達ロボティクス入門書
「知能の謎：認知発達
ロボティクスの挑戦」
講談社ブルーバックス ISBN: 4062574616 けいはんな社会的知能発生 学研究会 (著), 瀬名 秀明, 浅田 稔, 銅谷 賢治, 谷 淳, 茂木 健一郎, 開 一夫, 中島 秀之, 石黒 浩, 國吉 康夫, 柴田 智広この本の内容と一致？
「やわらかな遺伝子」マット・リドレー(著), 中 村 桂子(翻訳), 斉藤 隆央 遺伝子は神でも運命でも設計図でもなく、 時々刻々と環境から情報を引き出し、しなや かに自己改造していく装置だった-。ゲノム解 読から見えてきた新しい遺伝子観・人間観を 解き明かす。 従来の遺伝子理解、「なにかを決めている遺 伝子」（○○遺伝子）は一面の事実でしかな かった。ゲノム解読で見えてきた遺伝子像は もっと自由で柔軟性に富むものであった。 From Scientific American
No longer is it nature-versus-nurture, but nature-via-nurture.
満を持して「ロボットインテリジェンス」
岩波講座 ロボット学 第4巻 原理と実装を見通しよく解説する ロボットの知能科学 １．ロボット知能は何を目指すか？ ２．反応行動のための知能 ３．計画行動のための知能 ４．適応行動のための知能 ５．協調行動のための知能 ６．行為理解のための知能 ７．人間的知能を目指して ロボットインテリジェンス 浅田稔，國吉康夫 4 ４ 1. 知覚の創成と身体表現の獲得 柔軟指，身体図式/身体像 2. 共同注意の発達的学習 発達的学習 ブートストラップ学習 3. 模倣発達の展開 行動の理解と生成のための視覚模倣 コミュニケーション創発に向けた初期音声模 倣：教示者のフォルマントの相対的位置関 係と口唇形状の模倣を利用したロボットの 音韻獲得ヒト知能創成にむけた
模倣発達の構成論的展開
研究背景
乳児はどのように母音を獲得するのか？ 身体構造の異なる他者を模倣 未熟のため，親の発声を再現できない 目標音声を明示的に与えられない センサ・モータ系と母音との関係は未知 親との相互作用から獲得？本研究の目的
教示者との相互作用により， 音韻を自律的に獲得するロボットの実現 –構音機構の異なる他者との共通音韻獲得 – 乳児の音韻獲得過程の理解 /a/ 「あ」かな？ 「あ」[Yoshikawa et al ’02] のモデル
クーイングに対する母親の模倣的応答 （オウム返し）が乳児の母音獲得を助ける 仮説: ロボットの発声と教示者の オウム返しとの対応関係をヘブ学習乳児の発達モデルとして不自然
しかし
• ロボットはランダム発声 • ロボット自身の声を聞いていない乳児の発達モデルの仮説
口唇の開きにより音響特徴量が変化[Carre R ‘96] 乳児が口唇形状と音声との対応関係を構築[麦谷‘04] 発声が可能になる前から，乳児は音韻を知覚可能， 母親の声を聞き分ける．[小嶋謙四郎（編）. 乳児心理学人 間発達の基礎. 川島書店, 1997.] 教示者の口唇形状を乳児が模倣することで 音韻を効率よく獲得している． 仮説1： 教示者の各音韻の音響特徴量を 乳児が音韻獲得に利用している． 仮説2：提案モデル
3つの仮説を用いて ロボットに音韻を獲得させる 仮説１：口唇形状模倣による学習効率の上昇 仮説2：教示者のフォルマントを用いた音韻獲得 仮説3：オウム返し教示による音韻の明瞭化 フォルマント：共鳴周波数のピークであり， 人が音韻を判断する際に利用していると される音響特徴量． 第1フォルマント 第2フォルマントロボット概要
唇 モータ×8 （唇4，声道4） ただし，自由度6 クリップ×4 アルミ板×4 声道 ワイヤ×8 声帯 気流口唇模倣の有効性（仮説
1）
■ 実験目的： 教示者の音韻発声時の口唇形状を発話ロボッ トが模倣することで音韻学習の効率が向上する ことを示す． ■実験内容： ・各モータ出力を3通り，計729通りのモータ出 力で発声． ・音韻発声時の口唇形状に近いときのデータ （各音韻につき約80通り）のみ抽出．実験結果
口唇を模倣した計400通りの発声で音韻獲得可能 第1フォルマント[Hz] 第 2 フォ ルマン ト [H z] 第1フォルマント[Hz] 第 2 フォ ルマン ト [H z]教示者のフォルマントを用いた 音韻獲得モデル（仮説2） フォルマント抽出 発話ロボット 音源 シリコン声道 日本語5母音を 発声 教示者 口唇 モータ（6自由 度）
