科学技術と共に歩む

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知能とは何か？この問いに対し，「知能的な振る舞いを生み出すシステムには，主体の物理的実体と環境との相互作用，すなわち，身体性（embodiment）が不可欠である」とする概念が提唱されてから30年あまりが過ぎた。ビッグデータや機械学習の実用化などの技術革新を基盤とした第3次AIブーム，我々の生活様式を一変させた世界的パンデミックなど，時代が大きく変化しつつある昨今，予測不能的に絶え間なく変わり続ける実世界の複雑性に対応し，柔軟かつ適応的に振る舞う知能システムが未来の社会を支える科学技術の鍵となる。そのため，実世界との関わりから生じる知能やシステム・制御論の重要性は益々高まっている。身体性に基づくシステム・制御のアプローチは，従来の工学的なアプローチにみられるような，システムすべてを厳密にモデル化し統御するアプローチとはコンセプトが大きく異なる。そのため，初学者が身体性の持つ創発的で融通無礙な姿を納得を持って捉えることは容易ではなく，また，身体性の起源から，その歴史的経緯，さらには最新研究事例までを系統的に記述した解説書，専門書は少ない。そこで本書は，まず身体性に立脚した知能（embodied intelligence）の基本的なコンセプトを平易に紹介しつつ，生物やロボットの移動運動や知覚認知といった具体的な事例からさまざまな知能に通底する身体性の輪郭を浮かび上がらせることを試みる。そして，身体性に基づく知能のあり方が，個体の振る舞いのみならず，集団や群システムといったマルチスケールな現象にも通底することを示す。そして，身体性の観点から激動し続ける実世界におけるシステム・制御の未来像について展望する。

本書は，大学院講義の教科書，参考書を想定し，おもに工学系の大学院生を読者層として想定している。また，研究室に配属されたばかりの学生（学部4年生，大学院修士学生）や，ロボット工学，制御工学，その周辺分野に興味を持つ技術者，研究者も対象としている。本書の内容は，大学・大学院レベルの数学・物理の知識を持つ人が，できるだけ一人で読み進め，理解し，実践できるレベルに設定されている。一方で，環境との相互作用“力学（ダイナミクス）”に立脚する身体性の概念を理解する上で，力学，特に時間変化を伴う動力学の理解は必須であるため，前提知識となる。不安な読者は，力学に関する良書を片手に読み進めていただくことを推奨したい。特に，2章には，力学系を含む発展的な内容（リミットサイクル，ポアンカレ写像など）も含まれている。本書は，「身体性知能とシステム・制御」に関連するはじめての日本語の標準的な教科書や専門書を目指しており，身体性に基づくシステム設計，制御に関する事例の整理，体系化を試みた。

1章では，身体性に立脚した知能の概念と本書の目的をまとめた。知能の定義に関する議論から始め，身体性に基づく知能の「起源」，「歴史」的経緯，について紹介し，その後，「本書の目的」を述べている（身体性に関連する必須「概念」，マイルストーンとなる研究「事例」および関連する国内外の「プロジェクト」を付録にまとめた）。2章から6章の構成として，身体性に基づく知能的システムを構成，設計する上で基盤となる「要素」を基準として構成している。具体的には，「骨格」を基盤として創発する知能としての受動歩行現象（2章），「アクチュエータ」を基盤として創発する知能システムとしての無脳ロボット（3章），「神経系」を基盤として創発する知能システムを構成するためのCentral Pattern Generator（CPG）に基づく制御（4章），「ヘテロな身体部位間の協調」を基盤として創発する知能としての全身協調運動の発現原理と設計（5章），「個体間相互作用」から創発する知能としての群知能システム（6章），という構成とした。

2章では，受動歩行と身体性についてまとめた。特に，本書の主たる話題である脚式ロコモーション（移動運動）の特徴と，脚式ロコモーションに着目する意義から説明した。そして，脚式ロコモーションにおいて，「身体性」の重要性を動機づける研究のパイオニアといえる受動歩行現象について紹介した。歩行現象の記述から始め，受動歩行現象をモデル化する支配方程式の導出について説明した。さらに，受動歩行現象の安定性解析の数理的アプローチと制御理論的解釈を説明した。また，力学系としてみた際の受動歩行現象の特性と，最新の研究事例を紹介した。本章には，受動歩行現象をモデル化したシミュレータをPythonでコードした資料（GitHub:https://github.com/daiowaki1229/python-passive-walker.git）およびWebアプリ（https://python-passive-walker.streamlit.app/）を公開している。シミュレーション上での実体験から，身体と環境の相互作用から発現する歩行現象を実感していただきたい。

3章では，ロボットや動物が複雑な環境で活動するために重要となるアクチュエータの特性と，それを活かす身体構造についてまとめた。特に，工学と動物の二つの観点から，身体性を能動的に活用するためのモータや筋肉の諸元について説明した。まず，工学の観点では，近年発展が著しいソフトアクチュエータやロボット用アクチュエータを紹介した。さらに，アクチュエータから発現する運動創発現象の例として無脳歩行現象を取り上げた。現象のモデル化，およびその安定性や分岐現象の解析事例を紹介し，2章で述べた力学系解析との具体的な接続を試みた。動物の観点では，生体筋特性の多様性と普遍性について説明した。さらに，読者の実践的な理解のために動物解剖の方法を紹介した。また，生体筋の筋特性をロボットへと実装するための方法として，Hillの三要素モデルの実機実装と，マッキベン型人工筋について紹介した。人工筋の製作法とその諸元を紹介し，生体筋の特性との類似性について議論した。

4章では，脚式移動ロボットにおける身体性に基づくシステム・制御設計の事例として，動物の神経系を模したCentral Pattern Generator（CPG）を規範とする制御手法についてまとめた。まず，四脚動物の歩行パターン生成を題材とし，脚協調制御を実現する神経基盤（CPG制御）について紹介した。そして，CPG制御の代表的な既存制御を紹介し，身体性に立脚したアプローチの要諦（設計指針）について説明した。さらに，状況依存的な脚協調制御を生み出すことを目的として提案された「手応え」制御の概念を紹介し，手応え制御を用いた研究事例を紹介した。手応え制御を実装した簡易的なホッピングロボットのシミュレーション事例として，GitHub（https://github.com/daiowaki1229/pyTegotaeCPG.git）およびWebアプリ（https://pytegotaecpg.streamlit.app/）を公開している。手応え制御から創発する身体性知能の実体験となれば幸いである。

5章では，動物が示す脚部のみならず体幹部を活用した運動様式を題材とし，脚式移動ロボットにおける脚部と体幹部という異質なサブシステム間の協調制御を扱った身体性システム・制御設計についてまとめた。まず，規範となるさまざまな動物の全身運動について概説し，異質な身体自由度の協調運動の協調様式のあり方についてまとめた。つぎに，動物の示す適応的な脚部・体幹部の協調運動の再現や発現機序の理解のために取り組んだ研究事例について紹介している。具体的には，身体の機械的な接続に着目したアプローチと，運動指令の制御的接続に着目したアプローチについてそれぞれの取り組みとアプローチの特徴をまとめている。全身のしなやかな振る舞いを生み出すためのサブシステムの“つなぎ方”について，身体性システムの観点を広げていただきたい。

6章では，5章まで扱ってきた移動体システムの枠組みを移動体の集団システム，すなわち群れシステムへと広げて，身体性知能に基づくシステム・制御設計の事例をまとめた。本章では，非常に単純な系である自己駆動粒子の群れから出発し，徐々に身体性を追加した事例を説明することで，群れシステムにおいて身体性を考慮することの意義がわかりやすくなるように試みた。エージェント単体では議論できなかった群れシステムにおけるさまざまな相互作用様式を事例に，身体性知能に基づくシステム設計の視点を広げていただきたい。

7章では，2章から6章において紹介した，身体性知能に基づくシステム設計に関する事例を整理し，その体系化を試みた。これにより，身体性に基づくシステム設計・制御の重要なポイント，いわゆる「コツ・キモ」を明確化した。最後に，現在および未来の展望として，関連する最新分野や著者らの興味のあるトピックを五月雨式に枚挙し，まとめの節とした。これにより，身体性に基づくシステム・制御の現状と将来の方向性にについての知見が深まることを期待している。

本書では，読者らの身体性に関連する思考を促す試みとして，1～6章に章末問題を設けた。しかしながら，数学，物理などの専門科目と異なり，身体性に関連する研究領域には確立した解答がないのが現状である。そのため，解答例は付けていないが，必要があれば，著者らに問い合わせいただきたい。

本書が，読者の心に身体性に基づく知能とシステム・制御の深遠な理解と魅力を植え付けることを切に願う。本書の各章は，理論と実践の橋渡しを目指し，知識の深化とその応用への道を照らすことを意図して構成した。本書が，未来の破壊的革新を担う工学者や研究者の皆様に新たなインスピレーションを与え，知能システムの設計や制御技術の進化に貢献すること，を著者らは心に願い，この編集に（寝る間も惜しんで）奮励した。読者一人ひとりが本書から得た洞察を自らの研究や実務に活かし，新たな発見へとつなげることが，著者らにとって最大の喜びとなる。

2025年8月
著者一同