2025/03/26 更新

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ヤマムラ マサユキ
山村 雅幸
YAMAMURA MASAYUKI
所属
情報理工学院 教授
職名
教授
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News & Topics
  • A rapid, easy-to-use DNA amplification method at 37°C

    2019/06/14

    掲載言語: 英語

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    Scientists in Japan have developed a way of amplifying DNA on a scale suitable for use in the emerging fields of DNA-based computing and molecular robotics. By enabling highly sensitive nucleic acid detection, their method could improve disease diagnostics and accelerate the development of biosensors, for example, for food and environmental applications.

  • 体温レベルの温度でDNAの高速増幅に成功

    2019/06/14

    掲載言語: 日本語

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    体温(37 ℃)でDNAを100万倍まで増幅する新しい等温増幅反応を開発 等温増幅反応の実用化を妨げる非特異増幅を人工核酸で抑制できることを発見 従来法では難しい分子ロボットのセンサーや核酸検査への利用に期待

学位

  • 工学博士 ( 東京工業大学 )

研究分野

  • 情報通信 / 生命、健康、医療情報学

学歴

  • 東京工業大学   大学院総合理工学研究科   システム科学専攻

    1985年4月 - 1989年3月

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    国名: 日本国

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  • 東京工業大学   総合理工学研究科   システム科学専攻

    1983年4月 - 1985年3月

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    国名: 日本国

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  • 東京工業大学   工学部   制御工学科

    1979年4月 - 1983年3月

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    国名: 日本国

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経歴

  • 東京工業大学   情報理工学院   教授

    2016年4月 - 現在

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    国名:日本国

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  • 東京医科歯科大学   大学院疾患生命科学研究部・生命情報科学教育部   客員教授

    2009年4月 - 2012年3月

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    国名:日本国

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  • 特定国立研究開発法人理化学研究所   横浜研究所   客員主幹研究員

    2006年12月 - 現在

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    国名:日本国

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  • 東京工業大学   大学院総合理工学研究科   教授

    2004年1月 - 2016年3月

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    国名:日本国

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  • 特定国立研究開発法人理化学研究所   播磨研究所   客員研究員

    2003年9月 - 現在

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    国名:日本国

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  • 東京医科歯科大学   大学院疾患生命科学研究部・生命情報科学教育部   客員助教授

    2003年4月 - 2009年3月

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    国名:日本国

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  • ニューヨーク州立大学   ビンガムトン校   客員准教授

    2000年1月 - 2000年7月

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    国名:アメリカ合衆国

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  • 東京工業大学   大学院総合理工学研究科   助教授

    1996年5月 - 2003年12月

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    国名:日本国

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  • 東京工業大学   大学院総合理工学研究科   助手

    1989年4月 - 1996年4月

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    国名:日本国

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所属学協会

  • 進化経済学会

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  • 人工知能学会

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  • ソフトウエア科学会

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  • American Association for Artificial Intelligence

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  • 計測自動制御学会

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  • International Society for Computational Biology

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  • 認知科学会

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  • International Society for Computational Biology

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  • American Association for Artificial Intelligence

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委員歴

  • ソフトウエア科学会   企画委員  

    1996年   

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    団体区分:学協会

    ソフトウエア科学会

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  • 人工知能学会   会誌編集委員・論文委員 、分子生命情報研究会委員 、全国大会プログラム委員  

    1995年 - 1997年   

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    団体区分:学協会

    人工知能学会

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  • 計測自動制御学会   部会運営委員  

    1995年   

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    団体区分:学協会

    計測自動制御学会

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論文

  • Genetic Algorithm-based Reproduction of Certainty Effect: From the perspective of survival environments 査読

    Jiateng Pan, Atsushi Yoshikawa, Masayuki Yamamura

    2022 4th International Conference on Communications, Information System and Computer Engineering (CISCE)   2022年5月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE  

    DOI: 10.1109/cisce55963.2022.9851170

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  • A New Model for Bias-Generating Agent-Based Simulation and Its Application to Election Systems: Allowing Agents to Make Mistakes for a Reason 査読

    Jiateng Pan, Atsushi Yoshikawa, Masayuki Yamamura

    Mathematical Problems in Engineering   Volume 2022   1 - 12   2022年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Hindawi Limited  

    Several studies have proposed that vote tampering based on heuristic algorithms can manipulate voters' votes. It can be found from the analysis of the poll results of the 2016 US election that the frequency of "Trump won," which is generally considered a black swan phenomenon, is not low and even reached 16.8%. However, many models are unable to restore the generation of such a high frequency of black swan phenomena. In this study, the black swan phenomenon is successfully reproduced using a bias-generating agent-based election system model. By adjusting the tampering method, the frequency of the black swan phenomenon will change from 5% to 15%. From the simulation results, it can be observed that one of the possible causes of the black swan phenomenon is the tampering of the voting results, which leads to more biased voters, thus increasing the frequency of the winning elections. This study proposes that to obtain more realistic simulation results, it is necessary to introduce more realistic perceptual models for agents, rather than relying solely on random functions. Allowing agents to make mistakes for a reason should be an integral part of multi-agent-based simulation in the field of pairwise human simulation.

    DOI: 10.1155/2022/4010945

    Web of Science

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  • Alternative state transition control by regulating the spatial arrangement of organisms using a lattice model

    Shuuki Takizawa, Akifumi Nishida, Masayuki Yamamura

    Ecosphere   13 ( 3 )   2022年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Wiley  

    DOI: 10.1002/ecs2.3981

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    その他リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full-xml/10.1002/ecs2.3981

  • Determinism of microbial community assembly by drastic environmental change

    Akifumi Nishida, Mayuko Nakagawa, Masayuki Yamamura

    PLOS ONE   16 ( 12 )   e0260591 - e0260591   2021年12月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Public Library of Science (PLoS)  

    Microbial community assembly is shaped by deterministic and stochastic processes, but the relationship between these processes and the environment is not understood. Here we describe a rule for the determinism and stochasticity of microbial community assembly affected by the environment using in silico, in situ, and ex situ experiments. The in silico experiment with a simple mathematical model showed that the existence of essential symbiotic microorganisms caused stochastic microbial community assembly, unless the community was exposed to a non-adapted nutritional concentration. Then, a deterministic assembly occurred due to the low number of microorganisms adapted to the environment. In the in situ experiment in the middle of a river, the microbial community composition was relatively deterministic after the drastic environmental change caused by the treated wastewater contamination, as analyzed by 16S rRNA gene sequencing. Furthermore, by culturing microbial communities collected from the upstream natural area and downstream urban area of the river in test tubes with varying carbon source concentrations, the upstream community assembly became deterministic with high carbon concentrations while the downstream community assembly became deterministic with low carbon concentrations. These results suggest that large environmental changes, which are different from the original environment, result in a deterministic microbial community assembly.

    DOI: 10.1371/journal.pone.0260591

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  • Overfitting-based Bias-generating Neural-network : Simulation of Pavlov’s Dog 査読

    Jiateng Pan, Atsushi Yoshikawa, Masayuki Yamamura

    2021 International Symposium on Artificial Intelligence and its Application on Media (ISAIAM)   78 - 81   2021年5月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE  

    Since the advent of artificial intelligence techniques, many scholars have considered the phenomenon of overfitting to be negative and have worked to eliminate it. However, there are still many scholars who believe that the phenomenon of overfitting is worth exploiting. This paper argues that the phenomenon of overfitting of neural networks can reproduce the process of biologically generated prejudice, and builds a neural network prone to overfitting and applies it to a simple model of a dog. The simulations showed that the behavior of the simulated dog was similar to the conditioned reflexes in Pavlov's dog experiments. Therefore, this paper argues that the judicious use of overfitting techniques can better enable artificial intelligence to be 'each in its way'.

    DOI: 10.1109/isaiam53259.2021.00023

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  • Analysis of the Causes and Solutions of Apartheid Based on Schelling Model with Welfare Policy 査読

    Jiateng Pan, Atsushi Yoshikawa, Masayuki Yamamura

    IOP Conference Series: Earth and Environmental Science   608 ( 1 )   012018 - 012018   2020年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IOP Publishing  

    Abstract

    In recent years, with the widespread dissemination of the concept of anti-racial discrimination, various countries have introduced a series of welfare policies for ethnic minorities, trying to control population apartheid to alleviate the generation of racial conflicts, and many achievements have been made. However, apartheid seems to have rebounded recently. This paper proposes the Schelling model with welfare policies to analyze the reasons for the rebound phenomenon and propose possible solutions.

    DOI: 10.1088/1755-1315/608/1/012018

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    その他リンク: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/608/1/012018

  • Tensegrity representation of microtubule objects using unified particle objects and springs

    Pramudwiatmoko Arif, Gutmann Gregory, Ueno Yutaka, Kakugo Akira, Yamamura Masayuki, Konagaya Akihiko

    CBIジャーナル   20 ( 0 )   19 - 43   2020年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:情報計算化学生物学会(CBI学会)  

    <p>There are limitations in interactions with molecular objects in laboratory experiments due to the very small size of the objects. Common media to show the experimental results of molecular objects is still lack of observer interaction to understand it intuitively. In order to overcome this lack of interaction, this research takes tensegrity representation of molecular objects reproducing experimental results and creates interactive 3D objects to be presented in a virtual reality (VR) environment. The tensegrity representation enables us to enhance the interaction experience with the natural user interface with haptic technology and hand tracking controller. A particle simulation system that utilizes multiple GPUs resources is used to fulfill haptic VR requirements. We developed a unified particle object model using springs and particles which we call anchors which act as tensegrity structure of the object to support conformation of filament-type objects such as microtubules. Some object parameters can be set to match the flexural rigidity of the object with some experimental results. The bending shape of the object is evaluated using the classic bending equation and the results show high compatibility. Viscoelastic behavior also shows similarities with the viscosity reported in other studies. The object's flexural rigidity can be adjusted to match the target value with the direction of the prediction equation. The object model provides a better insight about molecular objects with natural and real-time interactions to provide a more intuitive understanding with the molecular objects presented. The results show that this model can also be applied to any filament-type or rod-like molecular object.</p>

    DOI: 10.1273/cbij.20.19

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  • Enhancement of Binding Affinity of Folate to Its Receptor by Peptide Conjugation. 査読 国際誌

    Roopa Dharmatti, Hideyuki Miyatake, Avanashiappan Nandakumar, Motoki Ueda, Kenya Kobayashi, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura, Yoshihiro Ito

    International journal of molecular sciences   20 ( 9 )   2019年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    (1) Background: The folate receptor (FR) is a target for cancer treatment and detection. Expression of the FR is restricted in normal cells but overexpressed in many types of tumors. Folate was conjugated with peptides for enhancing binding affinity to the FR. (2) Materials and Methods: For conjugation, folate was coupled with propargyl or dibenzocyclooctyne, and 4-azidophenylalanine was introduced in peptides for "click" reactions. We measured binding kinetics including the rate constants of association (ka) and dissociation (kd) of folate-peptide conjugates with purified FR by biolayer interferometry. After optimization of the conditions for the click reaction, we successfully conjugated folate with designed peptides. (3) Results: The binding affinity, indicated by the equilibrium dissociation constant (KD), of folate toward the FR was enhanced by peptide conjugation. The enhanced FR binding affinity by peptide conjugation is a result of an increase in the number of interaction sites. (4) Conclusion: Such peptide-ligand conjugates will be important in the design of ligands with higher affinity. These high affinity ligands can be useful for targeted drug delivery system.

    DOI: 10.3390/ijms20092152

    PubMed

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  • Comparison between Effects of Retroactivity and Resource Competition upon Change in Downstream Reporter Genes of Synthetic Genetic Circuits. 査読 国際誌

    Takefumi Moriya, Tomohiro Yamaoka, Yuki Wakayama, Shotaro Ayukawa, Zicong Zhang, Masayuki Yamamura, Shinji Wakao, Daisuke Kiga

    Life (Basel, Switzerland)   9 ( 1 )   2019年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Reporter genes have contributed to advancements in molecular biology. Binding of an upstream regulatory protein to a downstream reporter promoter allows quantification of the activity of the upstream protein produced from the corresponding gene. In studies of synthetic biology, analyses of reporter gene activities ensure control of the cell with synthetic genetic circuits, as achieved using a combination of in silico and in vivo experiments. However, unexpected effects of downstream reporter genes on upstream regulatory genes may interfere with in vivo observations. This phenomenon is termed as retroactivity. Using in silico and in vivo experiments, we found that a different copy number of regulatory protein-binding sites in a downstream gene altered the upstream dynamics, suggesting retroactivity of reporters in this synthetic genetic oscillator. Furthermore, by separating the two sources of retroactivity (titration of the component and competition for degradation), we showed that, in the dual-feedback oscillator, the level of the fluorescent protein reporter competing for degradation with the circuits' components is important for the stability of the oscillations. Altogether, our results indicate that the selection of reporter promoters using a combination of in silico and in vivo experiments is essential for the advanced design of genetic circuits.

    DOI: 10.3390/life9010030

    PubMed

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  • A Highly Bioactive Lys-Deficient IFN Leads to a Site-Specific Di-PEGylated IFN with Equivalent Bioactivity to That of Unmodified IFN-α2b. 査読 国際誌

    Takashi Imada, Koji Moriya, Masahiko Uchiyama, Naoto Inukai, Mitsuhiro Hitotsuyanagi, Akiko Masuda, Takehiro Suzuki, Shotaro Ayukawa, Yo-Ichi Tagawa, Naoshi Dohmae, Michinori Kohara, Masayuki Yamamura, Daisuke Kiga

    ACS synthetic biology   7 ( 11 )   2537 - 2546   2018年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Although conjugation with polyethylene glycol (PEGylation) improves the pharmacokinetics of therapeutic proteins, it drastically decreases their bioactivity. Site-specific PEGylation counters the reduction in bioactivity, but developing PEGylated proteins with equivalent bioactivity to that of their unmodified counterparts remains challenging. This study aimed to generate PEGylated proteins with equivalent bioactivity to that of unmodified counterparts. Using interferon (IFN) as a model protein, a highly bioactive Lys-deficient protein variant generated using our unique directed evolution methods enables the design of a site-specific di-PEGylated protein. Antiviral activity of our di-PEGylated IFN was similar to that of unmodified IFN-α2b. The di-PEGylated IFN exhibited 3.0-fold greater antiviral activity than that of a commercial PEGylated IFN. Moreover, our di-PEGylated IFN showed higher in vitro and in vivo stability than those of unmodified IFN-α2b. Hence, we propose that highly bioactive Lys-deficient proteins solve the limitation of conventional PEGylation with respect to the reduction in bioactivity of PEGylated proteins.

    DOI: 10.1021/acssynbio.8b00188

    PubMed

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  • Escherichia coli expression, purification, and refolding of human folate receptor α (hFRα) and β (hFRβ). 査読 国際誌

    Roopa Dharmatti, Hideyuki Miyatake, Chen Zhang, Xueli Ren, Akiko Yumoto, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura, Yoshihiro Ito

    Protein expression and purification   149   17 - 22   2018年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Human folate receptors (hFRα and hFRβ) are membrane proteins anchored to the cell surface by glycosylphosphatidylinositol. They play an important role in cell growth by taking up folate for de novo synthesis of purines and methylation of DNA, lipids, and proteins. Thus, controlling folate uptake through hFRs may lead to the development of anti-cancer drugs. Development of hFRs-targeting drug requires a large amount of hFRs. However, it is difficult to prepare active forms of hFRs from prokaryotic cells because of their high content of cysteine residues that form disulfide bonds. Here, we prepared active forms of hFRα and hFRβ from inclusion bodies of Escherichia coli. The crucial steps in our preparation were intensive washing of the inclusion bodies to remove impurities derived from E. coli and gradual dropping of solubilized hFRs into refolding buffers to correctly reform disulfide bonds. The binding activity of prepared hFRs to folate was confirmed by biolayer interferometry measurements. Finally, we successfully prepared the active form of 2.52 mg hFRα and 2.4 mg hFRβ from 10 g of E. coli cell bodies.

    DOI: 10.1016/j.pep.2018.04.006

    PubMed

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  • Effect of light wavelength on hot spring microbial mat biodiversity 査読

    Akifumi Nishida, Vera Thiel, Mayuko Nakagawa, Shotaro Ayukawa, Masayuki Yamamura

    PLOS ONE   13 ( 1 )   e0191650 - e0191650   2018年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Public Library of Science (PLoS)  

    DOI: 10.1371/journal.pone.0191650

    Web of Science

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  • High-frequency noise attenuation of a two-component system responding to short-pulse input 査読

    Akifumi Nishida, Ryoji Sekine, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura

    ACM International Conference Proceeding Series   28 - 35   2016年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:Association for Computing Machinery  

    Among the various biological devices developed and characterized in synthetic biology, light-sensing biological devices can serve as an input-output system owing to their light modulation property. The well-characterized devices in living systems are useful for modulating cellular sensing and transducing information. In this study, we examined short pulse responsiveness of a light-sensing two-component system (TCS), Cph8-OmpR, which was generated by replacing the sensor domain of the EnvZ-OmpR osmoregulatory system with the light sensor Cph1. We varied the input pulse width of the Cph8-OmpR system and found that an input width of &lt
    1 s was sufficient to alter the accumulation of a reporter gene upregulated by Cph8 phosphorylation of OmpR. Based on this result and the mathematical model showing that the timescale for the upstream Cph8-activity transition was much faster than that of downstream gene expression, we evaluated the merit of a TCS with such an unbalanced cascade. Our mathematical simulation of a cascade TCS suggests that high-frequency noise arising from fast transitions in kinase activity was attenuated throughout the cascade reaction. In terms of noise attenuation, these results can contribute to analyze biological cascade systems with the balance of reaction rates in each process.

    DOI: 10.1145/3029375.3029377

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  • Cascading DNA Generation Reaction for Controlling DNA Nanomachines at a Physiological Temperature 査読

    Ken Komiya, Masayuki Yamamura

    NEW GENERATION COMPUTING   33 ( 3 )   213 - +   2015年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:SPRINGER  

    We developed a reaction system to generate multiple single-stranded DNA species at a physiological temperature for controlling the operation of DNA nanomachines. In this reaction system, cascading DNA generation is arbitrarily programmed by permutation and altering the combinations of template DNA sequences in a modular fashion. Because the dissociation of generated DNA strands from their templates is fully dependent on the strand displacement activity of DNA polymerase, generation and subsequent hybridization of DNA strands can be implemented in a one-pot reaction at the reaction temperature. We experimentally confirmed the generation and hybridization of DNA strands at a temperature remarkably lower than the melting temperature by monitoring the fluorescence change caused by the structural transition of molecular beacons as a simple DNA nanomachine operation. Then, we demonstrated the versatility and programmability of the cascading DNA generation up to three layers. By integrating the proposed DNA generation reaction with various types of DNA nanomachines, an intelligent molecular robotic system is expected to be achieved.

    DOI: 10.1007/s00354-015-0304-5

    Web of Science

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  • In vitro selection of a photoresponsive peptide aptamer to glutathione-immobilized microbeads 査読

    Seiichi Tada, Qingmin Zang, Wei Wang, Masuki Kawamoto, Mingzhe Liu, Michiru Iwashita, Takanori Uzawa, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura, Yoshihiro Ito

    JOURNAL OF BIOSCIENCE AND BIOENGINEERING   119 ( 2 )   137 - 139   2015年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:SOC BIOSCIENCE BIOENGINEERING JAPAN  

    Photoresponsive peptide aptamer to glutathione-immobilized microbeads was in vitro selected using ribosome display incorporated with tRNA carrying an amino acid coupled with an azobenzene. (C) 2014, The Society for Biotechnology, Japan. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.jbiosc.2014.06.018

    Web of Science

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  • Two site genetic incorporation of varying length polyethylene glycol into the backbone of one peptide 査読

    Qingmin Zang, Seiichi Tada, Takanori Uzawa, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura, Yoshihiro Ito

    CHEMICAL COMMUNICATIONS   51 ( 76 )   14385 - 14388   2015年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ROYAL SOC CHEMISTRY  

    Polyethylene glycol (PEG) of different lengths was genetically incorporated into the backbone of a polypeptide using stop-anticodon and frameshift anticodon-containing tRNAs, which were acylated with PEG-containing amino acids.

    DOI: 10.1039/c5cc04486c

    Web of Science

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  • Effects of downstream genes on synthetic genetic circuits 査読

    Takefumi Moriya, Masayuki Yamamura, Daisuke Kiga

    BMC SYSTEMS BIOLOGY   8   2014年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:BIOMED CENTRAL LTD  

    Background: In order to understand and regulate complex genetic networks in living cells, it is important to build simple and well-defined genetic circuits. We designed such circuits using a synthetic biology approach that included mathematical modeling and simulation, with a focus on the effects by which downstream reporter genes are involved in the regulation of synthetic genetic circuits.
    Results: Our results indicated that downstream genes exert two main effects on genes involved in the regulation of synthetic genetic circuits: (1) competition for regulatory proteins and (2) protein degradation in the cell.
    Conclusions: Our findings regarding the effects of downstream genes on regulatory genes and the role of impedance in driving large-scale and complex genetic circuits may facilitate the design of more accurate genetic circuits. This design will have wide applications in future studies of systems and synthetic biology.

    DOI: 10.1186/1752-0509-8-S4-S4

    Web of Science

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  • General Applicability of Synthetic Gene-Overexpression for Cell-Type Ratio Control via Reprogramming 査読

    Kana Ishimatsu, Takashi Hata, Atsushi Mochizuki, Ryoji Sekine, Masayuki Yamamura, Daisuke Kiga

    ACS SYNTHETIC BIOLOGY   3 ( 9 )   638 - 644   2014年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AMER CHEMICAL SOC  

    Control of the cell-type ratio in multistable systems requires wide-range control of the initial states of cells. Here, using a synthetic circuit in E. coli, we describe the use of a simple gene-overexpression system combined with a bistable toggle switch, for the purposes of enabling the wide-range control of cellular states and thus generating arbitrary cell-type ratios. Theoretically, overexpression induction temporarily alters the bistable system to a monostable system, in which the location of the single steady state of cells can be manipulated over a wide range by regulating the overexpression levels. This induced cellular state becomes the initial state of the basal bistable system upon overexpression cessation, which restores the original bistable system. We experimentally demonstrated that the overexpression induced a monomodal cell distribution, and subsequent overexpression withdrawal generated a bimodal distribution. Furthermore, as designed theoretically, regulating the overexpression levels by adjusting the concentrations of small molecules generated arbitrary cell-type ratios.

    DOI: 10.1021/sb400102w

    Web of Science

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  • 2P280 人工遺伝子回路における下流レポーター遺伝子の影響(24. 数理生物学,ポスター,第52回日本生物物理学会年会(2014年度))

    Moriya Takefumi, Yamamura Masayuki, Kiga Daisuke

    生物物理   54 ( 1 )   S241   2014年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    DOI: 10.2142/biophys.54.S241_4

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  • Tunability of the ratio of cell states after the synthetic diversification by the diversity generator. 査読 国際誌

    Ryoji Sekine, Masayuki Yamamura, Masami Hagiya, Daisuke Kiga

    Communicative & integrative biology   5 ( 4 )   393 - 4   2012年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    The autonomous generation of phenotypic diversity in embryonic cell populations can be explained by Waddington's landscape. The landscape proposes that intra- and inter-cellular interactions mediate the generation of cellular diversity. Recently, we implemented, in a population of Escherichia coli, a synthetic diversification, which is governed by inter-cellular signaling mediated by acyl-homoserine lactone (AHL). The cells with the diversity generator diversified into two distinct cell states, "high" and "low," if all of the cells started from the low state. The ratio of the states after the diversification was affected by the velocity of autonomous signal accumulation, which depends on the cell density and the AHL production rate of individual cells. The dependency of the ratio on the initial cell density is reminiscent of the community effect, which is observed in animal development and is important for ES-cell differentiation. Therefore, it is worthwhile reviewing the roles of natural animal gene networks with similar topologies to the diversity generator design. The diversity generator design will also be the basis for a tool to direct cell fates on the population level in tissue engineering. Here, we discuss the tunability of the ratio of cell states by our synthetic circuit design.

    DOI: 10.4161/cib.20310

    PubMed

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  • 進化型計算のDNA実装とその応用

    山村 雅幸

    電気学会誌 = The journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan   132 ( 4 )   221 - 224   2012年4月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:The Institute of Electrical Engineers of Japan  

    本記事に「抄録」はありません。

    DOI: 10.1541/ieejjournal.132.221

    CiNii Books

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    その他リンク: https://jlc.jst.go.jp/DN/JALC/10000032345?from=CiNii

  • A Multiphysics Model of In Vitro Transcription Coupling Enzymatic Reaction and Precipitation Formation 査読

    Satoru Akama, Masayuki Yamamura, Takanori Kigawa

    Biophysical Journal   102 ( 2 )   2012年

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    Satoru Akama, Masayuki Yamamura, Takanori Kigawa, 2012, &#039;A Multiphysics Model of In Vitro Transcription Coupling Enzymatic Reaction and Precipitation Formation&#039;, &lt;i&gt;Biophysical Journal&lt;/i&gt;, vol. 102, no. 2

    DOI: 10.1016/j.bpj.2011.12.014

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  • 細胞の初期状態に依存しない多様化を実現する人工遺伝子回路の設計戦略

    関根 亮二, 木賀 大介, 山村 雅幸

    Chem-Bio Informatics Journal   12   39 - 49   2012年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Chem-Bio Informatics Society  

    細胞の初期状態に依存しない細胞種多様化を実現する人工遺伝子回路は,複数の細胞種への分化誘導のツールとしての利用が期待できる.本研究では,多様化後の二つの細胞種比率が初期状態に依存しない細胞種多様化を実現するための人工遺伝子回路,Symmetric Diversity Generator (SDG)を設計した.SDGは,二つのリプレッサーによる相互抑制と,二つの拡散性アクチベーターによるリプレッサー生産・拡散性アクチベーター生産のアンバランス補正との二つの機構からなる.多様化後の細胞種比率の初期状態依存性の計算機解析から,SDG設計には改善の余地があることが分かったため,二つのアプローチで設計の改善を行った.一つ目は,拡散性アクチベーターの分解速度を上げるアプローチ,二つ目は,拡散性アクチベーターやリプレッサーに対するリプレッサー生産の感度を下げるアプローチである.SDGと同様の計算機解析から,二つ目のアプローチによって細胞種比率の初期状態依存性が大きく改善されることが分かった.これは,リプレッサー生産が大きく変化する前に拡散性アクチベーターのアンバランス補正が働くことができるようになったためであると考えられる.感度に注目した二つ目のアプローチは,すでに報告されている人工遺伝子回路のパフォーマンス向上のための簡便な方法としての利用が期待できる.

    DOI: 10.1273/cbij.12.39

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  • Tunable synthetic phenotypic diversification on Waddington&apos;s landscape through autonomous signaling 査読

    Ryoji Sekine, Masayuki Yamamura, Shotaro Ayukawa, Kana Ishimatsu, Satoru Akama, Masahiro Takinoue, Masami Hagiya, Daisuke Kiga

    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA   108 ( 44 )   17969 - 17973   2011年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:NATL ACAD SCIENCES  

    Phenotypic diversification of cells is crucial for developmental and regenerative processes in multicellular organisms. The diversification concept is described as the motion of marbles rolling down Waddington&apos;s landscape, in which the number of stable states changes as development proceeds. In contrast to this simple concept, the complexity of natural biomolecular processes prevents comprehension of their design principles. We have constructed, in Escherichia coli, a synthetic circuit with just four genes, which programs cells to autonomously diversify as the motion on the landscape through cell-cell communication. The circuit design was based on the combination of a bistable toggle switch with an intercellular signaling system. The cells with the circuit diversified into two distinct cell states, "high" and "low," in vivo and in silico, when all of the cells started from the low state. The synthetic diversification was affected by not only the shape of the landscape determined by the circuit design, which includes the synthesis rate of the signaling molecule, but also the number of cells in the experiments. This cell-number dependency is reminiscent of the " community effect": The fates of developing cells are determined by their number. Our synthetic circuit could be a model system for studying diversification and differentiation in higher organisms. Prospectively, further integrations of our circuit with different cellular functions will provide unique tools for directing cell fates on the population level in tissue engineering.

    DOI: 10.1073/pnas.1105901108

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  • 2SL-04 Waddington地形上において自律的な細胞間シグナリングによって表現系を多様化する調節可能なシステムの細胞内における構築(2SL 生命システムの情報処理,日本生物物理学会第49回年会(2011年度))

    Sekine Ryoji, Yamamura Masayuki, Ayukawa Shotaro, Ishimatsu Kana, Akama Satoru, Takinoue Masahiro, Hagiya Masami, 木賀 大介

    生物物理   51   S25   2011年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    DOI: 10.2142/biophys.51.S25_1

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  • Multi-objective robust optimization for in vitro RNA synthesis 査読

    Satoru Akama, Masayuki Yamamura, Takanori Kigawa

    Proceedings of the 6th IASTED International Conference on Computational Intelligence and Bioinformatics, CIB 2011   74 - 80   2011年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    Optimization of reaction conditions for biocatalytic synthesis has been extensively studied as single-objective optimization (SOO) or multi-objective optimization (MOO). Most of the studies have focused only on maximization of single objectives such as the synthesis rate. In biocatalytic synthesis, however, it is highly probable that component concentrations selected as design variables contain large errors. For example, there can be a gap between the true and the assumed concentrations of enzymes because of their easy inactivation, leading to unexpected decrease in yield. Therefore, it is important to focus on the robustness of the synthesis as well as the enhancement of other objectives. In this paper, we apply an MOO method considering robustness for finding optimal reaction conditions of an in vitro RNA synthesis. This multi-objective robust optimization was performed by considering both the mean value and standard deviation of the yield as objective functions in the MOO problem and solving the problem with NSGA-II, a genetic algorithm. We first verified the effectiveness of our method and then conducted yield and cost optimization considering robustness. Thus, optimal reaction conditions with increased robustness could be successfully obtained.

    DOI: 10.2316/P.2011.753-017

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  • Construction of a genetic AND gate under a new standard for assembly of genetic parts 査読

    Shotaro Ayukawa, Akio Kobayashi, Yusaku Nakashima, Hidemasa Takagi, Shogo Hamada, Masahiko Uchiyama, Katsuyuki Yugi, Satoshi Murata, Yasubumi Sakakibara, Masami Hagiya, Masayuki Yamamura, Daisuke Kiga

    BMC GENOMICS   11   2010年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:BIOMED CENTRAL LTD  

    Background: Appropriate regulation of respective gene expressions is a bottleneck for the realization of artificial biological systems inside living cells. The modification of several promoter sequences is required to achieve appropriate regulation of the systems. However, a time-consuming process is required for the insertion of an operator, a binding site of a protein for gene expression, to the gene regulatory region of a plasmid. Thus, a standardized method for integrating operator sequences to the regulatory region of a plasmid is required.
    Results: We developed a standardized method for integrating operator sequences to the regulatory region of a plasmid and constructed a synthetic promoter that functions as a genetic AND gate. By standardizing the regulatory region of a plasmid and the operator parts, we established a platform for modular assembly of the operator parts. Moreover, by assembling two different operator parts on the regulatory region, we constructed a regulatory device with an AND gate function.
    Conclusions: We implemented a new standard to assemble operator parts for construction of functional genetic logic gates. The logic gates at the molecular scale have important implications for reprogramming cellular behavior.

    DOI: 10.1186/1471-2164-11-S4-S16

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  • Quantitative design and experimental validation for a single-molecule DNA nanodevice transformable among three structural states 査読

    Ken Komiya, Masayuki Yamamura, John A. Rose

    NUCLEIC ACIDS RESEARCH   38 ( 13 )   4539 - 4546   2010年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:OXFORD UNIV PRESS  

    In this work, we report the development and experimental validation of a coupled statistical thermodynamic model allowing prediction of the structural transitions executed by a novel DNA nanodevice, for quantitative operational design. The efficiency of target structure formation by this nanodevice, implemented with a bistable DNA molecule designed to transform between three distinct structures, is modeled by coupling the isolated equilibrium models for the individual structures. A peculiar behavior is predicted for this nanodevice, which forms the target structure within a limited temperature range by sensing thermal variations. The predicted thermal response is then validated via fluorescence measurements to quantitatively assess whether the nanodevice performs as designed. Agreement between predictions and experiment was substantial, with a 0.95 correlation for overall curve shape over a wide temperature range, from 30 http://www.w3.org/1999C. The obtained accuracy, which is comparable to that of conventional melting behavior prediction for DNA duplexes in isolation, ensures the applicability of the coupled model for illustrating general DNA reaction systems involving competitive duplex formation. Finally, tuning of the nanodevice using the current model towards design of a thermal band pass filter to control chemical circuits, as a novel function of DNA nanodevices is proposed.

    DOI: 10.1093/nar/gkq250

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  • An Accurate Prediction Method for Protein Structural Class from Signal Patterns of NMR Spectra in the Absence of Chemical Shift Assignments. 査読

    Hiromi Arai, Naoya Tochio, Tsuyoshi Kato, Takanori Kigawa, Masayuki Yamamura

    10th IEEE International Conference on Bioinformatics and Bioengineering, BIBE 2010, Philadelphia, Pennsylvania, USA, May 31-June 3 2010   32 - 37   2010年

  • Experimental Validation of Signal Dependent Operation in Whiplash PCR 査読

    Ken Komiya, Masayuki Yamamura, John A. Rose

    DNA COMPUTING   5347   1 - +   2009年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:SPRINGER  

    Whiplash PCR (WPCR), which implements self-directed operation, programmed within a single DNA molecule, is a potential candidate for both mathematical and biological applications. However, WPCR-based methods are known to suffer from a serious efficiency problem called back-hybridization (BH). Previously, we proposed and partially validated a new rule-protect operation to abolish BH. In this work, we experimentally demonstrate the ability of rule-protect to drive multi-step WPCR. Successful implementation of isothermal operation at physiological temperatures is an essential benchmark for biological applications. We also propose the use of rule-protect for external signalling to control computational operation. Consequently, signal-dependent self-directed operation, which is conceptually new to DNA computing, is achieved. The present architecture, provided with sensing ability, allows a composite system design layering computational reactions, and would be suitable for functioning as the central processing unit of this system.

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  • Biologically-implemented genetic algorithm for protein engineering 査読

    Hiroshi Someya, Kensaku Sakamoto, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 11th Annual Genetic and Evolutionary Computation Conference, GECCO-2009   233 - 240   2009年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    Protein engineering, developing novel proteins with a desired activity, has become increasingly important in many fields. This paper presents two studies in protein engineering: (i) a biological implementation of a genetic algorithm, with an observed in vitro evolution, and (ii) its preliminary computer simulation using a prototypical probabilistic model based on a random walk. The steady evolution of the fitness distribution of the mutant proteins that appeared in the biological experiments has provided some convincing evidence about the search behavior and the fitness landscape. The computer simulation and the simple probabilistic model have indicated their future potential for providing a practical alternative to the time-consuming manual operations in the biological experiments. Successful experimental results in the two studies have raised expectations of their further development and mutually beneficial interactions. Copyright 2009 ACM.

    DOI: 10.1145/1569901.1569934

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  • Synthetic Biology 査読

    Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura

    NEW GENERATION COMPUTING   26 ( 4 )   347 - 364   2008年8月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:SPRINGER  

    Recent progress in various related fields has engendered a new style of biology, named Synthetic Biology, which utilizes concepts from modern engineering to emulate specific cellular functions and their functional combinations. This paper presents an introduction to Synthetic Biology from various viewpoints. First, we survey the concepts and tools from Systems Science along with several issues on social impact. Then, we discuss the recent progress in Molecular Biology that supports Synthetic Biology.

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  • Realization of DNA molecular machine that walks autonomously by using a restriction enzyme 査読

    Hiroyuki Sekiguchi, Ken Komiya, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura

    DNA COMPUTING   4848   54 - +   2008年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    In this paper, we propose an autonomous molecular walking machine using DNA. This molecular machine follows a track of DNA equipped with many single-strand DNA stators arranged in a certain pattern. The molecular machine achieves autonomous walk by using a restriction enzyme as source of power. With a proposed machine we can control its moving direction and we can easily extend walking patterns in two or three dimensions. Combination of multiple legs and ssDNA stators can control the walking pattern. We designed and per-formed a series of feasibility study with molecular biology experiments.

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  • An interface for a computing model using methylation to allow precise population control by quantitative monitoring 査読

    Ken Komiya, Noriko Hirayama, Masayuki Yamamura

    DNA COMPUTING   4848   191 - +   2008年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    We developed an interface to enable feedback control for a methylationbased computing model, in which a bit string is represented by the methylated and unmethylated status of the specific locations on a DNA molecule. On construction of a reaction system for the computational purpose, it is problematic that an open loop system without feedback control is easy to lose the molecular variety required for computation. It is, thus, important for the methylation-based computing to achieve quantitative sensing for feedback control. Difference in methylation status can be converted into the sequence variation by the bisulfite reaction. As a consequence, distribution between methylated and unmethylated DNA molecules could be quantitatively monitored by combining the polymerase chain reaction (PCR) using methylation specific primers with quantitative PCR. In the present study, we experimentally investigated the feasibility of the proposed interface for controlling the population of a library of DNA registers that have distinct methylated patterns representing different bits. Result indicated that, quantitative measurement of population was successfully performed by discriminative amplification using the methylation-specific primer. This interface, which allows us to generate a homogenous or biased library as expectedly, would be useful for molecular evolutionary computation and molecular learning.

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  • An implementation of aqueous memory molecules with light responsive DNAs 査読

    Masayuki Yamamura, Noriko Hirayama, Ken Komiya

    2007 IEEE CONGRESS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION, VOLS 1-10, PROCEEDINGS   1843 - +   2007年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE  

    Early explosion of DNA computing to solve combinatorial problems is now shrinking by three hardness; (1) code set design, (2) scalability and (3) speed and reliability. This paper proposes an implementation of Aqueous memory molecules by using light responsive modification of DNAs and show a series of feasibility experiments. We expect to overcome three difficulties since Aqueous computing is code design free, DNA sequence provides arbitrary size of address space, and light responsive reaction is fast and reliable.

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  • Congestion Detection and Clearing History of Trip Time in AntNet 査読

    Shigeo DOI, Masayuki YAMAMURA

    In Proceedings of CEC2005 (IEEE Intl. Congress on Evolutionary Computation)   1602 - 1609   2005年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

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  • 負荷変動の局所性にロバストなルーティングアルゴリズムの提案

    土居 茂雄, 山村 雅幸

    計測自動制御学会 第32回知能システムシンポジウム 講演論文集   85 - 90   2005年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(研究会,シンポジウム資料等)  

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  • リンクの相対負荷とノードの結合度を考慮したフェロモン揮発法の提案

    土居 茂雄, 山村 雅幸

    計測自動制御学会 システム情報部門学術講演会   395 - 398   2003年11月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(研究会,シンポジウム資料等)  

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  • Multitask reinforcement learning on the distribution of MDPs 査読

    Fumihide Tanaka, Masayuki Yamamura

    Proceedings of IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation, CIRA   3   1108 - 1113   2003年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.  

    In this paper we address a new problem in reinforcement learning. Here we consider an agent that faces multiple learning tasks within its lifetime. The agent's objective is to maximize its total reward in the lifetime as well as a conventional return in each task. To realize this, it has to be endowed an important ability to keep its past learning experiences and utilize them for improving future learning performance. This time we try to phrase this problem formally. The central idea is to introduce an environmental class, BV-MDPs that is defined with the distribution of MDPs. As an approach to exploiting past learning experiences, we focus on statistics (mean and deviation) about the agent's value tables. The mean can be used as initial values of the table when a new task is presented. The deviation can be viewed as measuring reliability of the mean, and we utilize it in calculating priority of simulated backups. We conduct experiments in computer simulation to evaluate the effectiveness.

    DOI: 10.1109/CIRA.2003.1222152

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  • Real-coded genetic algorithm to reveal biological significant sites of remotely homologous proteins

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics)   2724   1602 - 1603   2003年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Verlag  

    DOI: 10.1007/3-540-45110-2_45

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  • Two-layer Protein Structure Comparison

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the International Conference on Tools with Artificial Intelligence   435 - 440   2003年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    Extracting biological importance from protein structures is extremely helpful to understand the molecular nature. Although methods for protein structure-based alignment have been hitherto proposed in a number of ways, each method focuses on a part of alignment possibility. We have developed a generic method for pairwise structure-based alignment utilizing the population search ability of a Real-coded Genetic Algorithm. Our method simultaneously optimizes vector-expressed local fragment posture and global atomic superposition. Here, we report comparative results derived from the proposed method and existing methods. The experiments use three protein pairs well studied and a number of pairs derived from diverse protein families. The results show that our method provides useful two-layer similarity and statistical significance at a time to be able to capture not only the remarkable difference between local alignment and global alignment but also biologically meaningful common folds and motifs. Interestingly, we unveiled a vague region in protein structure-function relationships. It may indicate the limit of using alpha-carbon backbones.

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  • Exploiting value statistics for similar continuing tasks 査読

    Fumihide Tanaka, Masayuki Yamamura

    Proceedings - IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication   271 - 276   2003年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    In this paper, we try to consider interaction design for adaptation from the viewpoint of transfer of knowledge. Recent advancements in robotics are amazing, and their interaction processes with outside world (including human) are getting to be longer in time scale. We will investigate these matters in an abstract agent that faces multiple learning tasks within its lifetime, transferring past learning experiences to improve its performance. We formulize the multitask reinforcement learning problem at first, and then we present two ways of incorporating past learning experiences into the agent's learning algorithm. © 2003 IEEE.

    DOI: 10.1109/ROMAN.2003.1251857

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  • GA-based generic method for protein structure comparison 査読

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    2003 Congress on Evolutionary Computation, CEC 2003 - Proceedings   3   1528 - 1535   2003年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE Computer Society  

    The evolution of biological functions in protein molecules may take place on two layers that are local fragment and global domain conservations/mutations. Based on the fact that the three-dimensional structure of a protein activates its native function, this paper discusses acquiring such biological importance from comparing protein structures. Unlike the one-point search of existing methods based on various ideas, our approach utilizes the population search ability of real-coded genetic algorithm that is asynchronously parallelized. It may be useful to optimize this issue using a multiple objective evolutionary approach. In this work, we focus on maximizing two fitness functions because of the obvious trade-off. Our method as a generic structure-based alignment tool can compare all types of proteins on the two layers at a time. As the most advantageous fact, the genetic algorithm preserves local alignments as building blocks and reuses them for finding global alignments. This feature gives information on the connectivity of local fragments that often involve biological important parts, such as binding sites, active sites, etc. Robust optimization of our approach appears from experiment of protein pairs that are functionally and structurally similar/distinct. The results show that the proposed method is able to pull out the significant consideration to biological analyses. © 2003 IEEE.

    DOI: 10.1109/CEC.2003.1299854

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  • Self-organizing formation algorithm for active elements

    Kenichi Fujibayashi, Satoshi Murata, Ken Sugawara, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the IEEE Symposium on Reliable Distributed Systems   416 - 421   2002年1月

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    In this paper, we propose a novel method of self-organizing formation. It is assumed that elements are not connected to each other, and they can move in continuous space. The objective is to arrange elements in certain spatial pattern like a crystal, and to make the outline of the group in desired shape. For this purpose, we proposed a method by using virtual springs among the elements. In this algorithm, an element generates virtual springs between neighbor element based on information how many other elements exist in neighborhood with a certain radius. Although the elements interact locally only by virtual springs, and they don&#039;t have global information at all, they form a shape much larger than the sensory radius. By simulation study, we confirmed convergence to a target shape from a random state in very high probability. This kind of algorithm gives a new principle of self-organizing formation, and its simplicity will be useful for design of self-assembling nano machines in future.

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  • A realization of information gate by using Enterococcus faecalis Pheromone system

    Kenichi Wakabayashi, Masayuki Yamamura

    Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics)   2340   269 - 278   2002年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:Springer Verlag  

    In this paper, we introduce a novel signal element by using bacterial pheromones. In multicellular organism, every cell can communicate and exchange information with other cells. Bacteria also have such mechanisms. Enterococcus faecalis, one of the gram-positive bacteria, has a unique pheromone system. Male cells are stimulated by pheromones from female cells, and they give their plasmid to female cells through conjugation phenomenon. The variety of pheromones and their inducible activities of plasmid transfer inspire us that Enterococcus faecalis can serve as a pheromone-dependant DNA transporter. We show a design to realize logically controllable Information Gates by using Enterococcus faecalis and show an experimental plan. It is still on going project, but we can show the feasibility that bacterial pheromone system would provide alternative methodologies in molecular computing research.

    DOI: 10.1007/3-540-48017-x_25

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  • BntNetL とそのふくそう時における能力の評価 査読

    土居茂雄, 山村雅幸

    電子情報通信学会 論文誌B   J83-B ( 12 )   1702 - 1711   2000年12月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  • k-certainty exploration method: An action selector to identify the environment in reinforcement learning (Reprinted from J Japan Soc Artif Intell, vol 10) 招待 査読

    K Miyazaki, M Yamamura, S Kobayashi

    ARTIFICIAL INTELLIGENCE   91 ( 1 )   155 - 171   1997年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    Reinforcement learning aims to adapt an agent to an unknown environment according to rewards, There are two issues to handle delayed reward and uncertainty, Q-learning is a representative reinforcement learning method. It is used in many works since it can learn an optimum policy. However, Q-learning needs numerous trials to converge to an optimum policy. If the target environments can be described in Markov decision processes, we can identify them from statistics of sensor-action pairs. When we build the correct environment model, vie can derive an optimum policy with the Policy Iteration Algorithm. Therefore, we can construct an optimum policy through identifying environments efficiently.
    We separate the learning process into two phases: identifying an environment and determining an optimum policy. We propose the k-Certainty Exploration Method for identifying an environment, After that, an optimum policy is determined by the Policy Iteration Algorithm. We call a rule k-certainty if and only if it has been selected k times or more. The k-Certainty Exploration Method excepts any loop of rules that already achieve k-certainty. We show its effectiveness by comparing it with Q-learning in two experiments. One is Sutton's maze-like environment, the other is an original environment where an optimum policy varies according to a parameter. (C) 1997 Elsevier Science B.V.

    DOI: 10.1016/S0004-3702(96)00062-8

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  • MarcoPolo:報酬獲得と環境同定のトレードオフを考慮した強化学習システム 査読

    宮崎和光, 山村雅幸, 小林重信

    人工知能学会誌   12 ( 1 )   78 - 89   1997年1月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:社団法人人工知能学会  

    Reinforcement learning is a kind of machine learning. It aims to adapt an agent to a given environment with a clue to rewards. Profit sharing (PS) can get rewards efficiently at an initial learning phase. However, it can not always learn an optimum policy that maximizes rewards per an action. Though Q-learning is guaranteed to obtain an optimum policy, it needs numerous trials to learn it. On Markov decision processes (MDPs), if a correct environment model is identified, we can derive an optimum policy by applying Policy Iteration Algorithm (PIA). As an efficient method for identifying MDPs, k-Certainty Exploration Method has been proposed. We consider that ideal reinforcement learning systems are to get some rewards even at an initial learning phase and to get mere rewards as the identification of environments proceeds. In this paper, we propose a unified learning system : MarcoPolo which considers both getting rewards by PS or PIA and identifying the environment by k-Certainty Exploration Method. MarcoPolo can realize any tradeoff between exploitation and exploration through the whole learning process. By applying MarcoPolo to an example, its basic performance is shown. Moreover, by applying it to Sutton&#039;s maze problem and its modified version, its feasibility on more realistic domains is shown.

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  • l‐確実探査法: エージェントによる環境同定のための行動選択戦略 k‐確実探査法の不確実性下への拡張 査読

    宮崎和光, 山村雅幸, 小林重信

    人工知能学会誌   11 ( 5 )   804 - 808   1996年9月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:社団法人人工知能学会  

    k-Certainty Exploration Method gives top priority for selection to an action whose number of selection is the fewest. However it doesn&#039;t consider any state-transition probability. Therefore, though it guarantees the rationality and the efficiency under deterministic Markov decision processes (MDPs), it doesn&#039;t always guarantee the rationality nor the efficiency under stochastic MDPs. In this paper, we propose l-Certainty Exploration Method which is an extension of k-Certainty Exploration Method to stochastic MDPs. We define reachability as a difference between the sampled number of any rule and the sampling number necessary to identify its rule structure by error e with confidence 1. l-Certainty Exploration Method realizes efficient identification of the environment through selecting prior to a rule whose reachability is the lowest. We show the superiority of l-Certainty Exploration Method compared with the other methods through an numerical example.

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  • 創発システム研究がめざすもの

    池上 高志, 玉置 久, 三上 貞芳, 三宅 美博, 山村 雅幸, 小林 重信

    計測と制御 = Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   35 ( 7 )   557 - 563   1996年7月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:The Society of Instrument and Control Engineers  

    DOI: 10.11499/sicejl1962.35.7_557

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    その他リンク: https://jlc.jst.go.jp/DN/JALC/00040862811?from=CiNii

  • Genetic algorithm for job-shop scheduling problems using job-based order crossover

    Isao Ono, Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi

    Proceedings of the IEEE Conference on Evolutionary Computation   547 - 552   1996年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE  

    In this paper, we propose a new genetic algorithm for job-shop scheduling problems. The proposed method uses a job sequence matrix. This paper introduces a new crossover, the job-based order crossover (JOX), which can preserve characteristics very well. JOX preserves the order of each job on all machines between parents and their children, taking account of the dependency among machines. Since the children generated by JOX are not always feasible, we propose a technique to transform them into active schedules by using the Giffler and Thompson method. Furthermore, we introduce a mutation for maintaining a diversity of population without disrupting characteristics. By applying the proposed method to Fisher's and Thompson's 10×10 and 20×5 problems, we show its usefulness.

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  • k‐確実探査法 強化学習における環境同定のための行動選択戦略 査読

    宮崎和光, 山村雅幸, 小林重信

    人工知能学会誌   10 ( 3 )   454 - 463   1995年5月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:社団法人人工知能学会  

    Reinforcement learning aims to adapt a system to an unkown environment according to rewards. There are two issues to handle delayed reward and uncertainty. Q-learning is a representative reinforcement learning method. It is used by many works since it can learn the optimum policy. However, Q-learning needs numerous trials to converge to the optimum policy. If target environments can be described in a Markov decision process, we can identify them from statistics of sensor-action pairs. When we build the correct environment model, we can derive the optimum policy with policy Iteration Algorithm. Therefore, we can construct the optimum policy through identifying environments efficiently. In this paper, we separate learning process into two phases ; identifying an environment and determining the optimum policy. We propose k-Certainty Exploration Method for identifying an environment. After that, the optimum policy is determined by Policy Iteration Algorithm. We call a rule is k-Certainty if and only if the number of selecting it is larger than k. k-Certainty Explolation Method suppresses any loop of rules that already achieve k-Ceratinty. We show its effect by comparing with Q-learning in two experiments. 0ne is under maze environment of Dyna, the other is the environment where the optimum policy varies according to a parameter.

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  • 遺伝的アルゴリズムによる探索と学習

    小林 重信, 山村 雅幸

    日本ロボット学会誌   13 ( 1 )   57 - 62   1995年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:The Robotics Society of Japan  

    DOI: 10.7210/jrsj.13.57

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  • Thermal power plant start-up scheduling with evolutionary computation by using an enforcement operator

    Akimoto Kamiya, Isao Ono, Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi

    Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics   2   1372 - 1379   1995年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:IEEE  

    Power plant start-up scheduling is aimed mainly at minimizing the start-up time of both boiler and turbine, while limiting turbine rotor stresses to acceptable values. This problem has a number of local optima. In order to find the optimal start-up schedule efficiently, we apply population-based evolutionary optimization techniques - Genetic Algorithms (GA) - with our proposed 'enforcement operator.' The purpose of this enforcement operator is to limit the search space to those promising areas where the optimal solution is supposed to exist. As shown in this paper, aided with this enforcement operator, the search efficiency improves significantly as compared to a GA-based search without such operator. In addition, an optimal solution can be achieved, which reduces the start-up time by approximately 10%, or 20 minutes, relative to conventional methods.

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  • 強化学習における報酬割当ての理論的考察 査読

    宮崎和光, 山村雅幸, 小林重信

    人工知能学会誌   9 ( 4 )   580 - 587   1994年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:社団法人人工知能学会  

    Reinforcement learning is a kind of machine learning. It aims to adapt a system to a given environment according to rewards. We consider profit sharing that is a representative reinforcement learning method. A rule sequence applied between reward and reward is called an episode. Profit sharing reinforce rules at each episode. A function that shares the reward between rules of an episode is called a reinforcement function. Conventional work has used ad hoc functions. This paper analyzes reinforcement functions theoretically. First, we examine what a reinforcement function is locally reasonable. We call a rule is ineffective if and only if it is on a detour for any episodes. It is locally reasonable that ineffective rules are suppressed than any effective rules. We have derived the necessary and sufficient condition to suppress any ineffective rules as following inequality ; &lt;LΣ&gt;^^^w___&lt;j=i&gt;&lt;f_&lt;i-1&gt; (i=1,…,W). where, L is the maximum number of conflicting effective rules, W is the maximum length of episodes, and f_j is the value of reinforcement for the j-th previous rule applied before the reward. We call this as the ineffective rule suppression theorem. We demonstrate that a profit sharing can learn ineffective rules when the condition is violated. Second, we examine whether reinforcement functions satisfying the condition are globally reasonable. We call a collection of effective rules as a rule selection plan if and only if it selects at most one effective rule per one state. It is globally reasonable that a plan gains reward continuously. We show that the condition is also necessary and sufficient to learn a rewardfull plan. We call this as the rewardfull plan acquisition theorem. We also demonstrate that a profit sharing can learn rewardless plans when the condition is violated.

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  • 共通説明構造の汎化階層上のトップダウン探索による不完全領域理論下での妥当なマクロルールの獲得 査読

    小林 重信, 白井 康之, 山村 雅幸

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   6 ( 3 )   416 - 425   1991年5月

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    記述言語:日本語  

    Though EBL (explanation based learning) is a useful framework for generating operational knowledge from an example, we must assume perfect domain theory and explicitly defined operationality criterion. This assumption is too severe in practical situation. This paper presents a topdown search over generalization hierarchy of common explanation structure for solving the imperfect theory problem in EBL, forcusing on an inconsistent problem. Common explanation structures are generated from prural primitive explanation structures and they are organized as a generalization hierarchy based on a concept of maximal covering which reflects on similarity among them. By topdown search over the generalization hierarchy, the best set of macro rules, which includes all positive examples and excludes all negatives, can be found. This method has been implemented on Prolog. Some experiments show its usefulness for valid macro rules under the imperfect domain theory.

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書籍等出版物

  • Multitask Reinforcement Learning with Value Statistics

    2003年 

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  • Multitask Reinforcement Learning on the Distribution of MDPs

    Proc. IEEE International Conference in Robotics and Automation (CIRA2003)  2003年 

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  • 代謝経路に着目したタンパク群の進化系統解析

    計測自動制御学会 第30回知能システムシンポジウム資料  2003年 

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  • Asynchronous Real-coded Genetic Algorithms for Simultaneous Protein Structure-based Alignment

    Proc. GECCO2003: Proceedings of the Bird of a Feather Workshops  2003年 

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  • Real-Coded Genetic Algorithm to Reveal Biological Significant Sites of Remotely Homologous Proteins

    Proc. GECCO2003  2003年 

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  • Exploiting Value Statistics for Similar Continuing Tasks

    12th IEEE Workshop Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN 2003)  2003年 

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  • Two-layer Protein Structure Comparison

    15th IEEE International Conference on Tools with Artificial Intelligence (ICTAI 2003)  2003年 

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  • Multitask Reinforcement Learning with Value Statistics

    2003年 

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  • GA-based Generic Method for Protein Structure Comparison

    2003 Congress on Evolutionary Computation (CEC 2003)  2003年 

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  • PAGEを利用したDNA分子メモリの実装

    計測自動制御学会 第30回知能システムシンポジウム資料  2003年 

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  • リンクの相対負荷とノードの結合度を考慮したフェロモン揮発法の提案

    計測自動制御学会 システム・情報部門学術講演会2003(SSI2003)講演論文集  2003年 

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  • 力学モデルを用いた線虫C. elegansの初期胚における細胞配置シミュレーション

    計測自動制御学会 第30回知能システムシンポジウム資料  2003年 

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  • Real-Coded Genetic Algorithm to Reveal Biological Significant Sites of Remotely Homologous Proteins

    Proc. GECCO2003  2003年 

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  • Multitask Reinforcement Learning on the Distribution of MDPs

    Proc. IEEE International Conference in Robotics and Automation (CIRA2003)  2003年 

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  • Two-layer Protein Structure Comparison

    15th IEEE International Conference on Tools with Artificial Intelligence (ICTAI 2003)  2003年 

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  • Asynchronous Real-coded Genetic Algorithms for Simultaneous Protein Structure-based Alignment

    Proc. GECCO2003: Proceedings of the Bird of a Feather Workshops  2003年 

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  • GA-based Generic Method for Protein Structure Comparison

    2003 Congress on Evolutionary Computation (CEC 2003)  2003年 

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  • Exploiting Value Statistics for Similar Continuing Tasks

    12th IEEE Workshop Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN 2003)  2003年 

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  • 人工生命

    北川高嗣他編, 情報学事典, 弘文堂  2002年 

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  • アクエアス・コンピューティング-分子メモリの計算原理と分子生物学的実現-

    北野 宏明編著, 遺伝的アルゴリズム4, 産業図書  2000年 

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  • Aqueous Computing - Mathematical Principle of Molecular Memory and Biological Realization

    Genetic Algorithms 4  2000年 

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MISC

  • 1S4p05 思いやりのある大腸菌(iGEMを通した合成生物学研究者の育成,ワークショップ)

    Hirose Shoya, Motazedian Ali, Uchikoshi Eriko, Kaneko Misaki, Odera Mitsuhiko, Kitano Shohei, Nakamura Taichi, Thamamongood Thiprampai, Matsubara Toshitaka, Kinoshita Yumiko, Kaneta Yusuke, Moriya Takefumi, Ayukawa Shotaro, Amikura Kazuaki, Yamamura Masayuki, Kiga Daisuke

    日本生物工学会大会講演要旨集   63   17 - 17   2011年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:日本生物工学会  

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  • 自律DNA分子計算 : in vitro インテリジェンスの構築

    小宮 健, ローズ ジョン A., 山村 雅幸

    計測自動制御学会論文集 = Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers   46 ( 11 )   700 - 705   2010年11月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:計測自動制御学会  

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  • Experimental validation and optimization of signal dependent operation in whiplash PCR

    Ken Komiya, Masayuki Yamamura, John A. Rose

    NATURAL COMPUTING   9 ( 1 )   207 - 218   2010年3月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:SPRINGER  

    Whiplash PCR (WPCR), which implements self-directed operation, programmed within a single DNA molecule, is a potential candidate for both mathematical and biological applications. However, WPCR-based methods are known to suffer from a serious efficiency problem called back-hybridization (BH). Previously, we proposed and partially validated a new rule-protect operation to abolish BH. In this work, we experimentally demonstrate the ability of rule-protect to drive multi-step WPCR. In addition, the effect of the 50-terminal stopper sequence and the competency of DNA polymerases for the rule-protect operation are evaluated. Successful implementation of isothermal operation at physiological temperatures is an essential benchmark for biological applications. We also propose the use of rule-protect for external signalling to control computational operation. Consequently, signal-dependent self-directed operation, which is conceptually new to DNA computing, is achieved. The present architecture, provided with sensing ability, allows a composite system design layering computational reactions, and would be suitable for functioning as the central processing unit of this system.

    DOI: 10.1007/s11047-009-9140-1

    Web of Science

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  • Experimental Validation and Optimization of Signal Dependent Operation in Whiplash PCR

    Ken Komiya, Masayuki Yamamura, John A. Rose

    Natural Computing   9 ( 1 )   207 - 218   2010年

  • ウェット実験に基づく人工遺伝子回路の設計と制御

    関根 亮二, 中谷 元, 木賀 大介, 山村 雅幸

    電子情報通信学会技術研究報告. CST, コンカレント工学   109 ( 165 )   19 - 24   2009年7月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    合成生物学とは,遺伝子を電子回路の部品のように組み合わせて,所望の機能を持つ遺伝子ネットワーク(人工遺伝子回路)の設計・実装をする分野である.人工遺伝子回路の設計・実装は以下の3ステップで行われる.(1)人工遺伝子回路を設計し,その挙動をシミュレーションしながら各部品の最適なパラメータ値を事前に予測する.(2)人工遺伝子回路を実装した細胞を用いたウェット実験を行うことで,各部品の実際のパラメータ値を知る.(3)実際のパラメータ値と最適なパラメータ値を比較して,適切な部品に取り換えて,所望の機能を持つ人工遺伝子回路を構築する.このシステマティックな方法によって,従来は試行錯誤を要していた複雑な人工生命システムの開発が素早くできる.ところで,生命システムには"ゆらぎ"が付き物であり,人工生命システムにおいても同様である.ゆらぎがシステムの挙動に少なからず影響を与えるので,設計を困難にしている.本論文では,ゆらぎを考慮して生命システムの解析とシミュレーションを行った事例を紹介する.さらに,ゆらぎを考慮した生命システムの設計と実装について報告し,この困難に立ち向かう方策について展望する.

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  • タンパク質の新規サブドメインの提案--二次構造、モジュールを超える新たな構造単位の定義に向けて (ニューロコンピューティング)

    佐々木 彰吾, 山村 雅幸

    電子情報通信学会技術研究報告   109 ( 53 )   111 - 113   2009年5月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:電子情報通信学会  

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  • タンパク質の新規サブドメインの提案-二次構造、モジュールを超える新たな構造単位の定義に向けて-

    佐々木 彰吾, 山村 雅幸

    研究報告バイオ情報学(BIO)   2009 ( 17 )   1 - 3   2009年5月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:情報処理学会  

    本稿では、タンパク質の階層性を解明することを目的とし、独立したパーツとして利用可能で、ドメインより細かい階層の新たな構造単位を提案する。従来、ドメインより細かい構造単位として 「空間的コンパクトさ」 を指標とする、モジュールが提唱されてきた。しかし、空間的コンパクトさはパーツの独立性とは直接関係ない。独立したパーツとして利用可能なパーツを探すためには、独立性と直接関係した量を指標にしなくてはならない。そこで、本研究ではポテンシャルエネルギーを指標として用い、タンパク質のサブドメインを定義し、いくつかのタンパク質で新しいサブドメインの発見を試みた。To reveal the hierarchy of a protein structure, we propose a new structural unit that is shorter than a domain. This unit can be treated as an independent part of a protein. As a structural unit which is shorter than a domain, The concept of module has been defined as relatively compact regions of protein. However, the compactness does not relate directly to the independency of a part in a protein. We define a new structural unit adopting the free energy of a protein as index. We also show some new subdomains retrieved by own definition in some will known proteins.

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    その他リンク: http://id.nii.ac.jp/1001/00062137/

  • A new modeling method in feature construction for the HSQC spectra screening problem

    Hiromi Arai, Satoru Watanabe, Takanori Kigawa, Masayuki Yamamura

    BIOINFORMATICS   25 ( 7 )   948 - 953   2009年4月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:OXFORD UNIV PRESS  

    Motivation: Large-scale biological analyses produce huge amounts of data. As a consequence, automation in the data analysis process is needed. Sample screening problems in NMR high-throughput protein structure analysis are the typical examples. Especially, screening by protein (1)H(15)N heteronuclear single quantum coherence (HSQC) spectra must be done quantitatively by a human expert. One popular solution for this problem is data mining. Machine learning methods can automatically extract rules and achieve high accuracy in prediction when a good quality training dataset is prepared. However, they tend to be a black box and the learned machines suffer the risk of overfitting to the dataset.
    Results: We propose a model which evaluates HSQC spectra for feature construction. The model calculates similarity between the measured chemical shifts and those of a random coil peak model. We applied our feature construction method for the machine learning discrimination of folded protein HSQC spectra from unfolded ones, and compared our model-based features with those of conventional sequence-based features and image recognition features. The results revealed that our method has sufficient discrimination power and less overfits on training data, as compared to the other methods. In addition, our method succeeded reduction of input data complexity towards further investigation.

    DOI: 10.1093/bioinformatics/btn345

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  • A design and feasibility study of reactions comprising DNA molecular machine that walks autonomously by using a restriction enzyme

    Hiroyuki Sekiguchi, Ken Komiya, Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura

    Natural Computing   7 ( 3 )   303 - 315   2008年9月

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    記述言語:英語  

    In this paper, we propose an autonomous molecular walking machine using DNA. This molecular machine follows a track of DNA equipped with many single-strand DNA stators arranged in a certain pattern. The molecular machine achieves autonomous walk by using a restriction enzyme as source of power. With a proposed machine we can control its moving direction and we can easily extend walking patterns in two or three dimensions. Combination of multiple legs and ssDNA stators can control the walking pattern. We designed and performed a series of feasibility study with computer simulation and molecular biology experiments. © Springer Science+Business Media B.V. 2008.

    DOI: 10.1007/s11047-008-9077-9

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  • Synthetic biology

    Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura

    New Generation Computing   26 ( 4 )   347 - 364   2008年8月

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    記述言語:英語  

    Recent progress in various related fields has engendered a new style of biology, named Synthetic Biology, which utilizes concepts from modern engineering to emulate specific cellular functions and their functional combinations. This paper presents an introduction to Synthetic Biology from various viewpoints. First, we survey the concepts and tools from Systems Science along with several issues on social impact. Then, we discuss the recent progress in Molecular Biology that supports Synthetic Biology. © 2008 Ohmsha, Ltd.

    DOI: 10.1007/s00354-008-0050-z

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  • Synthetic Biology, Tutorial on Programming Natural Systems: Part2. Programming Cells

    Daisuke Kiga, Masayuki Yamamura

    New Generation Computing   26 ( 4 )   347 - 364   2008年

  • 分子メモリと分子機械の実現と利用法

    山村雅幸

    高分子   56 ( 12 )   986   2007年

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  • 局所負荷に基づきエージェントのLoop-Free移動制約を適切に使い分けるAntNetの提案と評価

    土居茂雄, 山村雅幸

    電子情報通信学会論文誌和文A   J90-A ( 5 )   450 - 490   2007年

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  • 分子計算のための一点から開始される探索法

    染谷博司, 山村雅幸, 坂本健作

    人工知能学会論文誌   22 ( 4 )   405 - 415   2007年

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    記述言語:日本語  

    DOI: 10.1527/tjsai.22.405

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  • Spider Algorithm for Clustering Multivariate Time Series

    Shohei KAMEDA, Masayuki YAMAMURA

    WSEAS TRANSACTIONS on INFORMATION SCIENCE and APPLICATIONS   3 ( 3 )   485 - 492   2007年

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  • Spider Algorithm for Clustering Multivariate Time Series

    Shohei KAMEDA, Masayuki YAMAMURA

    WSEAS TRANSACTIONS on INFORMATION SCIENCE and APPLICATIONS   3 ( 3 )   485 - 492   2007年

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  • データマイニング技術を用いた組換えタンパク質の発現量解析

    吉良聡, 礒合敦, 山村雅幸

    人工知能学会誌   21 ( 1 )   9 - 19   2006年

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    記述言語:日本語  

    DOI: 10.1527/tjsai.21.9

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  • A design for cellular evolutionary computation by using bacteria

    Kenichi Wakabayashi, Masayuki Yamamura

    Natural Computing   4 ( 3 )   275 - 292   2005年9月

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    記述言語:英語  

    In this paper, we propose a general idea of Cellular Evolutionary Computation (CEC). CEC is Evolutionary Computation that solves the optimization problems with real DNA molecules and cells. The easiest means of cellular evolution is achieved by adding some genes to the main frame of gene network in the cell. However, in some cases it is necessary to optimize the gene parameters to achieve a desirable gene network output. We are working toward a realization of Evolutionary Computation algorithm to deal with the network optimization problems. We also suggest a novel method to realize a crossover operator for CEC via homologous recombination system within bacterial cells. Our ultimate objective of this study is the achievement of gene network evolution of the cell. We suggest an idea of cell-based computing that the cell-related problems are addressed by their related cells. © Springer 2005.

    DOI: 10.1007/s11047-004-5236-9

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  • 実数値GAによるタンパク質立体構造の2層比較

    朴聖俊, 高田 彰二, 山村 雅幸

    情報処理学会論文誌   46 ( 3 )   898 - 910   2005年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人情報処理学会  

    爆発的に増加するタンパク質立体構造を比較することは構造ム機能相関の解析にきわめて重要である.既存の立体構造比較手法はタンパク質全体を剛体として扱う.しかし,進化的に新しい機能を獲得する際にタンパク質構造は部分的特異的に変形を受けるため,剛体としての取扱いには限界がある.本論文では機能進化過程において,構造変形を受けにくいビルディングブロックと構造変形が顕著なループ部分が存在することを考慮に入れた立体構造比較手法を開発する.提案手法は部分構造比較と全体構造比較を2層で並列探索し,遺伝的アルゴリズムの集団探索性能を活用してタンパク質の機能進化における構造変形の柔軟性を可視化する.2層比較の基本的なアイデアと実装について説明したうえで探索アルゴリズムと評価関数の特徴と性能について述べ,構造-機能相関の解析ツールとしての有効性を示す.Comparing protein tertiary structures that are explosively increasing is indispensable to the investigation into protein structure-function relationship. Methods hitherto published, however, treat proteins as rigid-bodies and thus are not able to capture the function-related structural variability of proteins, which appear through evolution. In this paper, we develop a protein structure comparison tool that emphasizes physico-chemical rearrangement of local fragments as building blocks of global structures. The proposed tool optimizes local fragment alignment and global superposition simultaneously. Using the population search ability of Genetic Algorithm, this tool shows the protein flexibility. We describe first the approach and the implementation. To address the large-scaled analysis of protein structure-function relationship, we show the effectiveness of the global search ability and fitness functions.

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    その他リンク: http://id.nii.ac.jp/1001/00010690/

  • 構成的生物学-つくることで理解する生物学-

    木賀大介, 山村雅幸

    人工知能学会誌   20 ( 6 )   715 - 721   2005年

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  • 特集「進化の周辺」の編集にあたって

    山村 雅幸, Masayuki Yamamura, 東京工業大学大学院総合理工学研究科

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   19 ( 6 )   670 - 671   2004年11月

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    記述言語:日本語  

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  • タンパク質立体構造の2層比較

    朴聖俊, 山村 雅幸

    情報処理学会研究報告数理モデル化と問題解決(MPS)   2004 ( 18 )   7 - 10   2004年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人情報処理学会  

    タンパク質は,三次元立体構造によって固有の生物学機能を発現するため,立体構造を比較・分類することは非常に重要である.立体構造は,配列変異に対してロバストであり,部分構造と全体構造は機能進化過程において,強く保存されることが知られている.本研究では,部分構造を全体構造のビルディングブロックと捉え,部分--全体構造相関に着目する立体構造比較ツールを開発する.提案手法は,非同期並列化された実数値遺伝的GAを用いて,有意な部分構造を全体構造比較に用いる2層比較を実現する.The proteins fold into the native structures that express biological functions, and therefore comparing three-dimensional protein structures and classifying them are extremely important to understand the nature of protein molecules. Generally, the local structure and global structure that will be related to the survival of the fitness are strongly conserved in the process of molecular evolution. In here, we suggest an approach to lifting the veil of the relationship between local structure and global structure on the basis of assumption that local structures play a crucial role in assembling the global topology. The idea, two-layer comparison, proposed in this study is based on a Real-coded GA asynchronously parallelized.

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    その他リンク: http://id.nii.ac.jp/1001/00033311/

  • AntNet and Relative Pheromone Evaporation

    Shigeo DOI Masayuki, YAMAMURA

    Proc. IEEE 4th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications (ISDA2004)   473 - 478   2004年

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  • リンクの相対負荷とエージェントの移動制約を考慮したフェロモン揮発法の提案と評価

    土居茂雄, 山村雅幸

    電子情報通信学会 B   J87-B ( 1 )   48 - 59   2004年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    AntNetにおいて,一定時間ごとにフェロモンを揮発させるフェロモン揮発法DCY-AntNetが提案されている.そこでは,エージェントやパケットがリンクを移動するときの所要時間を考慮せずに一様にフェロモンを揮発させてしまうため,ネットワーク全体のトラヒックふくそうが起き,報酬が与えられない場合でもフェロモンを揮発させてしまう.このため,経路選択がランダムとなってしまい,系全体としてスループットの減少が起きてしまう.本論文では,これらを解決するために,ノードの局所的リンクコストを考慮に入れ,エージェントの移動に制約を加えたフェロモン揮発法を提案する.ベンチマーク問題や典型的なネットワークトポロジーでシミュレーションを行い,その有用性を確認した.

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  • Toward “Wet” Implementation of Genetic Algorithm for Protein Engineering

    Sakamoto K, Yamamura, M. Someya H

    Preliminary Proceedings of 10th International meeting on DNA based computers (DNA10)   416 - 425   2004年

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  • An implementation of Molecule Reinforcement Learning

    Shinno K, Yamamura M

    Preliminary Proceedings of 10th International meeting on DNA based computers (DNA10)   432 - 432   2004年

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  • A design for cellular evolutionary computation by using bacteria

    Wakabayashi K, Yamamura M

    Preliminary Proceedings of 10th International meeting on DNA based computers (DNA10)   304 - 313   2004年

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  • AntNet and Relative Pheromone Evaporation

    Shigeo DOI Masayuki, YAMAMURA

    Proc. IEEE 4th International Conference on Intelligent Systems Design and Applications (ISDA2004)   473 - 478   2004年

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  • An implementation of Molecule Reinforcement Learning

    Shinno K, Yamamura M

    Preliminary Proceedings of 10th International meeting on DNA based computers (DNA10)   432 - 432   2004年

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  • An experimental analysis of loop-free algorithms for scale-free networks focusing on a degree of each node

    S Doi, M Yamamura

    ANT COLONY OPTIMIZATION AND SWARM INTELLIGENCE, PROCEEDINGS   3172   278 - 285   2004年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    To use AntNet-FA globally, the ability of routing algorithms must be clear. The Internet has special topology and a hierarchy (AS and router). The topology have power-laws or scale-free property in other words. In this paper, we focused on the network topology and we applied AntNet algorithm to the network such as the Internet. We examined a node should use either a Loop-Free algorithm or a non-Loop-Free algorithm depending on its degree in heavy traffic condition. The Loop-Free feature means that when an ant decides to visit an adjacent node, then the ant selects the next node from its unvisited node. The non-Loop-Free algorithm is the same to the original AntNet. As a result, we found that network topology affects the ability of AntNet algorithms.

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  • A design for cellular evolutionary computation by using bacteria

    Wakabayashi K, Yamamura M

    Preliminary Proceedings of 10th International meeting on DNA based computers (DNA10)   304 - 313   2004年

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  • Toward “Wet” Implementation of Genetic Algorithm for Protein Engineering

    Sakamoto K, Yamamura, M. Someya H

    Preliminary Proceedings of 10th International meeting on DNA based computers (DNA10)   416 - 425   2004年

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  • P2P型ネットワーク上での多対多通信の最適化

    加藤圭志, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第31回知能システムシンポジウム 資料集   173 - 178   2004年

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  • ウエット進化計算

    山村雅幸

    別冊「数理科学」分子コンピューティング特集   24 - 30   2004年

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  • 位相差情報を用いた遺伝子ネットワークの推定

    伊藤浩史, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第31回知能システムシンポジウム 資料集   101 - 108   2004年

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  • 分子動力学法の力場パラメータに関する研究

    皆川恵一, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第31回知能システムシンポジウム 資料集   115 - 120   2004年

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  • 代謝ネットワーク解析に基づく形成モデルの提案

    松田大典, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第31回知能システムシンポジウム 資料集   95 - 100   2004年

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  • 特集「遺伝的アルゴリズムの発展」の編集にあたって(<特集>遺伝的アルゴリズスの発展)

    山村 雅幸, 喜多 一, 小野 功, Hajime Kita

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   18 ( 5 )   477 - 478   2003年9月

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    記述言語:日本語  

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  • Computer simulation of the cellular arrangement using physical model in early cleavage of the nematode Caenorhabditis elegans

    A Kajita, M Yamamura, Y Kohara

    BIOINFORMATICS   19 ( 6 )   704 - 716   2003年4月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:OXFORD UNIV PRESS  

    Motivation: The ultimate goal of bioinformatics is to reconstruct biological systems in the computer. Since biological systems have many levels, it is important to focus on an appropriate level. In our first application of computer modeling to the early development of the nematode Caenorhabditis elegans, we focus on the cellular arrangement in early embryos. This plays a very important role in cell fate determination by cell-cell interaction, and is regarded as a system, one level higher than the system of gene regulation within cells. It is largely restricted by physical conditions that seemed feasible to model by computer.
    Results: We constructed a computer model of the C.elegans embryo, currently up to the 4-cell stage, using a deformable and dividable triangulated network. The model is based solely on cellular-level dynamics. We found that the optimal ranges of three parameters that affect the elongation of dividing cells led, in computer simulations, to almost the same cellular arrangements as in real embryos. The nature of the model and the relationship with real embryos are discussed.

    DOI: 10.1093/bioinformatics/btg069

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  • 特集「バイオインフォマティクスの世界」にあたって(<特集>「バイオインフォマティクスの世界」)

    山村 雅幸, 小長谷 明彦, Masayuki Yamamura, Akihiko Konagaya, 北陸先端科学技術大学院大学知識科学研究科:理化学研究所ゲノム科学総合研究センター

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   18 ( 1 )   1 - 1   2003年1月

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    記述言語:日本語  

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  • Cascading whiplash PCR with a nicking enzyme

    D Matsuda, M Yamamura

    DNA COMPUTING   2568   38 - 46   2003年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    Whiplash PCR has been proposed as a unique mechanism realizing autonomous inference machines and used in various applications of DNA coumputing. However, it is not easy to increase step sizes within a single molecule because of back annealing. This paper proposes a sheme to cascade results of WPCR from molecules to molecules by using a nicking enzyme. We also show preliminary experiments to produce output fragments continuously from WPCR.

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  • MDP集団の上におけるマルチタスク強化学習

    田中文英, 山村雅幸

    電気学会論文誌C   123 ( 5 )   1004 - 1011   2003年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:The Institute of Electrical Engineers of Japan  

    In this paper we address a new problem in reinforcement learning. Here we consider an agent that faces multiple learning tasks within its lifetime. The agent's objective is to maximize its total reward in the lifetime as well as a conventional return in each task. To realize this, it has to be endowed an important ability to keep its past learning experiences and utilize them for improving future learning performance. This time we try to phrase this problem formally. The central idea is to introduce an environmental class, BV-MDPs that is defined with the distribution of MDPs. As an approach to exploiting past learning experiences, we focus on statistical information (mean and deviation) about the agent's value tables. The mean can be used as initial values of the table when a new task is presented. The deviation can be viewed as measuring reliability of the mean, and we utilize it in calculating priority of simulated backups. We conduct experiments in computer simulation to evaluate the effectiveness.

    DOI: 10.1541/ieejeiss.123.1004

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    その他リンク: https://jlc.jst.go.jp/DN/JALC/00208623353?from=CiNii

  • 博士論文に見る新しい研究の流れ(<特集>「人工知能分野における博士論文」)

    山村 雅幸

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   17 ( 6 )   771 - 771   2002年11月

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    記述言語:日本語  

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  • Aqueous computing: A survey with an invitation to participate

    T Head, Chen, X, M Yamamura, S Gal

    JOURNAL OF COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY   17 ( 6 )   672 - 681   2002年11月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:SCIENCE PRESS  

    The concept of aqueous computing is presented here, first in full generality, and afterward, using an implementation in a specific enzymatic technology. Aqueous computing arose in the context of biomolecular (DNA) computing, but the concept is independent of the specifics of its biochemical origin. Alternate technologies for realizing aqueous computing are being considered for future implementation. A solution of an instance of the Boolean satisfiability problem, (SAT), is reported here that provides a new example of an aqueous computation that has been carried out successfully. This small instance of the SAT problem is sufficiently complex to allow our current enzymatic technology to be illustrated in detail. The reader is invited to participate in the rich interdisciplinary activity required by wet lab computing. A project is suggested to the reader for determining the three-colorings of a graph. The basic operations required for this project are exhibited in the solution of the SAT example reported here.

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  • ファンダメンタル情報を用いる合理的取引エージェント

    青嶋 憲太郎, 山村 雅幸

    知能システムシンポジウム資料   29   131 - 136   2002年3月

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    記述言語:日本語  

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  • マルチタスク指向の強化学習エージェントに関する一考察

    田中 文英, 山村 雅幸

    知能システムシンポジウム資料   29   121 - 124   2002年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 郷モジュールに基づくフォールディングシミュレーション

    名波 剛, 山村 雅幸

    知能システムシンポジウム資料   29   283 - 288   2002年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 人工生命によるミーム概念のモデル化と分析

    大石 貫之, 田中 文英, 山村 雅幸

    知能システムシンポジウム資料   29   277 - 282   2002年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 分子間相互作用における分子の挙動解析

    山口 裕也, 山村 雅幸

    知能システムシンポジウム資料   29   271 - 276   2002年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 2次元のマルチタスク強化学習 : 基本的枠組の定式化とシミュレーション

    田中 文英, 山村 雅幸

    人工知能学会全国大会論文集   16   1 - 4   2002年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:人工知能学会  

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  • Physical Modeling of the Cellular Arrangement in C. elegans Early Embryo: Effect of Rounding and Stiffening of the Cells

    Atsushi Kajita, Masayuki Yamamura, Yuji Kohara

    Genome Informatics   13   224 - 232   2002年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Japanese Society for Bioinformatics  

    The ultimate goal of bioinformatics is to reconstruct biological systems in a computer. Biological systems have a multi-scale and multi-level biological hierarchy. The cellular level of the hierarchy is appropriate and practicable for reconstructing biological systems by computer modeling. In our first application of computer modeling to development of the nematode C. elegans, we focus on the cellular arrangement in early embryos. This plays a very important role in cell fate determination by cell-cell interaction, which is largely restricted by physical conditions. We have already constructed a computer model of a C. elegans embryo, currently up to the 4-cell stage, using deformable and dividable geometric graphics. Modeling components of the embryo are based solely on cellular-level dynamics. Here, we modeled new physical phenomena of cell division, cell rounding and stiffening; we then combined them with already modeled phenomena, contractile ring contraction and cell elongation. We investigated effectiveness of the new model on cellular arrangement by computer simulations. We found that cell rounding and stiffening only during the period of cell division were effective to generate almost identical cellular arrangements to in real embryos. Since cells could be soft during the period between cell divisions, implementation of the new model resulted in cell shapes similar to real embryos. The nature of the model and its relationship to real embryos arediscussed.

    DOI: 10.11234/gi1990.13.224

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  • アクエアスコンピューティング-生体分子による並列メモリの実現-

    山村雅幸

    電気学会誌   122 ( 3 )   156 - 159   2002年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:The Institute of Electrical Engineers of Japan  

    DOI: 10.1541/ieejjournal.122.156

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    その他リンク: https://jlc.jst.go.jp/DN/JALC/00152844477?from=CiNii

  • 探索オペレータの機能分担を考慮した進化型計算による関数最適化

    染谷博司, 山村雅幸

    電気学会論文誌C   122-C ( 3 )   363 - 373   2002年

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  • Robust Evolutionary Algorithms with Toroidal Search Space Conversion for Function Optimization

    Hiroshi Someya, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference 2002 (GECCO-2002)   553 - 560   2002年

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  • Physical Modeling of the Cellular Arrangement in C. elegans Early Embryo: Effect of Rounding and Stiffening of the Cells

    Atsushi Kajita, Masayuki Yamamura, Yuji Kohara

    Genome Informatics   13   224 - 232   2002年

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  • BntNetL and Its Evaluation on a Situation of Congestion

    Shigeo Doi, Masayuki Yamamura

    Electronics and Communications in Japan, Part 1   85 ( 9 )   31 - 39   2002年

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  • Physical Modeling of the Cellular Arrangement in C. elegans Early Embryo: Effect of Rounding and Stiffening of the Cells

    Kajita Atsushi, Yamamura Masayuki, Kohara Yuji

    Genome Informatics   13   224 - 232   2002年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Japanese Society for Bioinformatics  

    The ultimate goal of bioinformatics is to reconstruct biological systems in a computer. Biological systems have a multi-scale and multi-level biological hierarchy. The cellular level of the hierarchy is appropriate and practicable for reconstructing biological systems by computer modeling. In our first application of computer modeling to development of the nematode C. elegans, we focus on the cellular arrangement in early embryos. This plays a very important role in cell fate determination by cell-cell interaction, which is largely restricted by physical conditions. We have already constructed a computer model of a C. elegans embryo, currently up to the 4-cell stage, using deformable and dividable geometric graphics. Modeling components of the embryo are based solely on cellular-level dynamics. Here, we modeled new physical phenomena of cell division, cell rounding and stiffening; we then combined them with already modeled phenomena, contractile ring contraction and cell elongation. We investigated effectiveness of the new model on cellular arrangement by computer simulations. We found that cell rounding and stiffening only during the period of cell division were effective to generate almost identical cellular arrangements to in real embryos. Since cells could be soft during the period between cell divisions, implementation of the new model resulted in cell shapes similar to real embryos. The nature of the model and its relationship to real embryos arediscussed.

    DOI: 10.11234/gi1990.13.224

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  • FROG (Fitted Rotation and Orientation of protein structure by means of real-coded Genetic algorithm) : asynchronous parallelizing for protein structure-based comparison on the basis of geometrical similarity

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    Genome Informatics   13   344 - 345   2002年

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  • BntNetL and Its Evaluation on a Situation of Congestion

    Shigeo Doi, Masayuki Yamamura

    Electronics and Communications in Japan, Part 1   85 ( 9 )   31 - 39   2002年

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  • Robust Evolutionary Algorithms with Toroidal Search Space Conversion for Function Optimization

    Hiroshi Someya, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference 2002 (GECCO-2002)   553 - 560   2002年

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  • インターネット版バーチャル大腸菌iVEST の開発

    山村雅幸, 小野

    ソフトウェアバイオロジー   1   25 - 30   2002年

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  • Biomolecular computing - Preface

    M Yamamura, T Head, M Hagiya

    NEW GENERATION COMPUTING   20 ( 3 )   215 - 216   2002年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG  

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  • 最適解の位置にロバストな実数値GAを実現する Toroidal Search Space Conversion の提案

    染谷博司, 山村雅幸

    長崎大学地域共同研究センター 長崎大学からの情報発信'01   7   1 - 1   2002年

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  • 探索オペレータの機能分担を考慮した進化型計算による関数最適化

    染谷博司, 山村雅幸

    長崎大学地域共同研究センター 長崎大学からの情報発信'01   7   2 - 2   2002年

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  • FROG (Fitted Rotation and Orientation of protein structure by means of real-coded Genetic algorithm) : asynchronous parallelizing for protein structure-based comparison on the basis of geometrical similarity

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    Genome Informatics   13   344 - 345   2002年

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  • 博士論文に見る新しい研究の流れ(<特集>人工知能分野における博士論文)

    山村 雅幸, 新田 克己, Masayuki Yamamura, Katsumi Nitta, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能システム科学専攻, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能システム科学専攻

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   16 ( 6 )   866 - 866   2001年11月

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    記述言語:日本語  

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  • 実数値GAにおけるシンプレクス交叉の提案

    樋口 隆英, 筒井 茂義, 山村 雅幸

    人工知能学会誌   16 ( 1 )   155 - 155   2001年1月

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    記述言語:日本語  

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  • Another Realization of Aqueous Computing with Peptide Nucleic Acid

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 7th International Meeting on DNA Based Computers (DNA7)   219 - 23   2001年

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  • Genetic Algorithm with Search Area Adaptation for the Function Optimization and its Experimental Analysis

    Hiroshi Someya, Masayuki Yamamura

    Proceedings of Congress on Evolutionary Computation (CEC2001)   933 - 940   2001年

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  • Computer Simulation of Early Cleavage of C. elegans Embryo

    Atsushi Kajita, Masayuki Yamamura, Yuji Kohara

    13th International C. elegans Meeting   735 - 735   2001年

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  • Another Realization of Aqueous Computing with Peptide Nucleic Acid

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 7th International Meeting on DNA Based Computers (DNA7)   219 - 23   2001年

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  • A Realization of Information Gate by Using Enterococcus facealis Pheromone System

    Kenichi Wakabayashi, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 7th International Meeting on DNA Based Computers (DNA7)   199 - 208   2001年

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  • 分子コンピューティング

    山村雅幸

    電子銃砲通信学会第14回回路とシステム(軽井沢)ワークショップ論文集   273 - 278   2001年

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  • 最適解の位置にロバストな実数値GAを実現する Toroidal Search Space Conversion の提案

    染谷博司, 山村雅幸

    人工知能学会誌   16 ( 3 )   333 - 343   2001年

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    記述言語:日本語  

    DOI: 10.1527/tjsai.16.333

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  • バーチャル大腸菌VESTに基づくマルチプラットホームシミュレーションベンチの開発

    山田陸裕, 山村雅幸, 大竹久夫, 滝口昇, 小野功

    計測自動制御学会第28回知能システムシンポジウム資料   81 - 86   2001年

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  • 探索領域を適応的に調整するGAによる関数最適化

    染谷博司, 山村雅幸

    計測自動制御学会第28回知能システムシンポジウム資料   165 - 170   2001年

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  • 実数値GAにおけるシンプレクス交叉の提案と解析

    樋口隆英, 山村雅幸, 筒井茂義

    人工知能学会誌   16 ( 1 )   147 - 155   2001年

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    記述言語:日本語  

    DOI: 10.1527/tjsai.16.147

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  • 線虫の初期胚発生過程における細胞配置シミュレーション

    梶田睦, 小原雄治, 山村雅幸

    計測自動制御学会第28回知能システムシンポジウム資料   75 - 80   2001年

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  • A Realization of Information Gate by Using Enterococcus facealis Pheromone System

    Kenichi Wakabayashi, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 7th International Meeting on DNA Based Computers (DNA7)   199 - 208   2001年

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  • Aqueous Solutions of Algorithmic Problems: emphasizing knights on a 3X3

    Tom Hea, Xia Chen Mathew, J. Nichols, Masayuki Yamamura, Susannah Gal

    Proceedings of the 7th International Meeting on DNA Based Computers (DNA7)   219 - 230   2001年

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  • Simplex crossover for real-coded genetic algolithms

    Takahide Higuchi, Shigeyoshi Tsutsui, Masayuki Yamamura

    Transactions of the Japanese Society for Artificial Intelligence   16 ( 1 )   147 - 155   2001年

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    記述言語:日本語  

    In this paper, we perform theoretical analysis and experiments on the Simplex Crossover (SPX), which we have proposed. Real-coded GAs are expected to be a powerful function optimization technique for real-world applications where it is often hard to formulate the objective function. However, we believe there are two problems which will make such applications difficult
    1) performance of real-coded GAs depends on the coordinate system used to express the objective function, and 2) it costs much labor to adjust parameters so that the GAs always find an optimum point efficiently. The result of our theoretical analysis and experiments shows that a performance of SPX is independent of linear coordinate transformation and that SPX always optimizes various test function efficiently when theoretical value for expansion rate, which is a parameter of SPX, is applied. We also show that BLX-α is equivalent to degenerate form of SPX. Experiments show that we have something misunderstood effect of epistasis on performance degradation of real-coded GAs.

    DOI: 10.1527/tjsai.16.147

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  • Molecular Computing

    MASAYUKI YAMAMURA

    273 - 278   2001年

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  • Genetic algorithm with search area adaptation for the function optimization and its experimental analysis

    H Someya, M Yamamura

    PROCEEDINGS OF THE 2001 CONGRESS ON EVOLUTIONARY COMPUTATION, VOLS 1 AND 2   933 - 940   2001年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:IEEE  

    This paper applies a method, Genetic algorithm with Search area Adaptation (GSA), to the function optimization. In previous study, GSA has proposed for the floorplan design problem and it has shown better performance than several existing methods. We believe that investigation of the searching behavior of the algorithm is important. However, since the floorplan design problem is combinatorial optimization problem, we do not know in detail why GSA works well. Thus, in this paper, we apply GSA to the function optimization in order to study the searching behavior in detail. In the function optimization, several benchmarks have been proposed, and their optima and landscapes are known. There is another purpose to apply GSA to the function optimization. We would like to propose a superior method for the function optimization. Through several experiments, we have confirmed that GSA works adaptively and it shows higher performance than one of existing methods.

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  • Computer Simulation of Early Cleavage of C. elegans Embryo

    Atsushi Kajita, Masayuki Yamamura, Yuji Kohara

    13th International C. elegans Meeting   735 - 735   2001年

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  • Aqueous Solutions of Algorithmic Problems: emphasizing knights on a 3X3

    Tom Hea, Xia Chen Mathew, J. Nichols, Masayuki Yamamura, Susannah Gal

    Proceedings of the 7th International Meeting on DNA Based Computers (DNA7)   219 - 230   2001年

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  • 実数値GAとその応用

    小野 功, 山村 雅幸, 喜多 一

    電子情報通信学会技術研究報告. AI, 人工知能と知識処理   100 ( 88 )   61 - 68   2000年5月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

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  • 分子メモリー-アクエアスコンピュータの分子生物学的実現

    山村雅幸

    数理科学   ( 445 )   39 - 45   2000年

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  • Using Genetic Algorithm to Detect Structural Similarities in Proteins

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 2nd International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BRGS2000)   2   201 - 203   2000年

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  • Theoretical Analysis of Simplex Crossover for Real-Coded Genetic Algorithms

    Takahide Higuchi, Shigeyoshi Tsutsui, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 6th International Conerence on Parallel Problem Solving from Nature (PPSN VI),   365 - 374   2000年

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  • Where should Children be Generated by Crossover Operator on Function Optimization?

    Hiroshi Someya, Masayuki Yamamura

    Proceedings of Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO-2000)   382 - 382   2000年

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  • Molecular Memory - Biological Realization of Aqueous Computer

    MASAYUKI YAMAMURA

    Mathematical Sciences   ( 445 )   39 - 45   2000年

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  • DNA computing

    MASAYUKI YAMAMURA

    Journal of the Society of Instrument and Control Engineers   39 ( 6 )   427 - 427   2000年

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  • ヒット曲予測に用いる進化型モデルの構築に向けたデータ考察

    田中文英, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第12回自律分散システムシンポジウム予稿集   423 - 426   2000年

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  • GAによる立体構造アラインメント

    朴聖俊, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第12回自律分散システムシンポジウム資料集   323 - 328   2000年

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  • 分子メモリの原理と大容量化の試み

    山村雅幸

    計測自動制御学会 第12回自律分散システムシンポジウム予稿集   329 - 334   2000年

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  • Mathematical Principle of Molecular Memory and its Biological Realization

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 11th TITECH Brain Research Symposium   6 - 11   2000年

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  • Aqueous Computing with DNA-PNA Hybridization

    MASAYUKI YAMAMURA

    59 - 66   2000年

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  • Genetic Structural Alignment: towards Multiple Structural Alignment

    Proceedings of the 27th SICE Intelligent Systems Symposium   123 - 126   2000年

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  • Real-Coded Genetic Algorithms and their Application

    Journal of Japanese Association for Artificial Intelligence   15 ( 2 )   259 - 266   2000年

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  • Towards a Biological Realization of Large Scaled Molecular Memory

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 12th SICE Distributed Autonomous Systems Symposium   329 - 334   2000年

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  • An Adaptive Routing by Bidirectional AntNet

    Proceedings of the 27th SICE Intelligent Systems Symposium   77 - 82   2000年

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  • Structural Alignment by Genetic Algorithms

    Proceedings of the 12th SICE Distributed Autonomous Systems Symposium   323 - 328   2000年

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  • 分子メモリの原理とその分子生物学的実現

    山村雅幸

    第11回東工大脳研究シンポジウム講演予稿集   6 - 11   2000年

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  • DNA-PNAハイブリッドによるアクエアス・コンピューティングの実現

    山村雅幸

    情報処理学会 新しい計算パラダイムシンポジウム2000論文集(第7回MPSシンポジウム)   59 - 66   2000年

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  • Theoretical Analysis of Simplex Crossover for Real-Coded Genetic Algorithms

    Takahide Higuchi, Shigeyoshi Tsutsui, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 6th International Conerence on Parallel Problem Solving from Nature (PPSN VI),   365 - 374   2000年

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  • DNAコンピューティング

    山村雅幸

    計測と制御   39 ( 6 )   427 - 427   2000年

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  • A case study of indirect control on large scale evolutionary multi-agent systems in dynamic environment

    M Yamamura, Y Ito

    INTELLIGENT AUTONOMOUS SYSTEMS 6   219 - 224   2000年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:I O S PRESS  

    For a large scale evolutionary multi-agent systems, such as social or economic systems, we cannot design and control each agent directly. This paper shows a case study of an indirect control on such a system using a simple evolutionary baggage transportation system. We propose a two levels control mechanism, then show how that improve throughput and how high selection pressure cause premature convergence.

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  • 時間割問題の進化的解法

    山田英之, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第27回知能システムシンポジウム資料集   61 - 66   2000年

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  • 実数値GAとその応用

    小野功, 山村雅幸, 喜多一

    人工知能学会誌   15 ( 2 )   259 - 266   2000年

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  • 双方向AntNetによる適応型ネットワーク経路制御の提案

    土居茂雄, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第27回知能システムシンポジウム資料集   77 - 82   2000年

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  • 遺伝的立体構造アラインメント:マルチプル立体構造アラインメントへ向けて

    朴聖俊, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第27回知能システムシンポジウム資料集   123 - 126   2000年

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  • GAにおける子個体生成確率の世代間での重ね合わせに着目したTMXの提案

    染谷博司, 山村雅幸

    電気学会 電子・情報・システム部門大会2000講演論文集   629 - 632   2000年

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  • Using Genetic Algorithm to Detect Structural Similarities in Proteins

    Sung-Joon Park, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the 2nd International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BRGS2000)   2   201 - 203   2000年

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  • Where should Children be Generated by Crossover Operator on Function Optimization?

    Hiroshi Someya, Masayuki Yamamura

    Proceedings of Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO-2000)   382 - 382   2000年

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  • 実数値GAにおけるシンプレックス交叉の提案

    筒井 茂義, 山村 雅幸

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   13   237 - 239   1999年6月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:人工知能学会  

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  • A Functional Specialization Hypothesis for Designing Genetic Algorithms

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of 1999 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics   1999年

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  • タンパク質立体構造比較への進化計算論的アプローチ

    朴聖俊, 山村雅幸

    計測自動制御学会 システム情報部門シンポジウム1999講演論文集   163 - 168   1999年

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  • A Functional Specialization Hypothesis for Designing Genetic Algorithms

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of 1999 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics   1999年

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  • BntNetによるネットワークの経路制御の提案

    土居茂雄, 山村雅幸

    計測自動制御学会 システム情報部門シンポジウム1999講演論文集   215 - 220   1999年

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  • 解空間構造に適応した探索を行うGAの適応度非依存淘汰に関する考察

    染谷博司, 山村雅幸

    電気学会 電子・情報・システム部門大会'99 講演論文集   399 - 402   1999年

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  • 機能分担仮説に基づくGAの設計指針

    山村雅幸

    計測と制御   38 ( 10 )   612 - 617   1999年

  • Virtual DNA simulator and protocol design by GA

    A Nishikawa, M Hagiya, M Yamamura

    GECCO-99: PROCEEDINGS OF THE GENETIC AND EVOLUTIONARY COMPUTATION CONFERENCE   1810 - 1816   1999年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:MORGAN KAUFMANN PUB INC  

    Many algorithms and protocols for DNA computing have been proposed so far, but most of them remain mere proposals and their feasibility has not yet been verified. Even in cases when in vitro experiments are possible, it is desirable to verify the feasibility in advance. We developed a simulator to aid those who design algorithms and protocols for DNA computing. Tn this simulator, abstract sequences instead of real DNA sequences are used to represent molecules in order to increase efficiency of simulations. It consists of two main. parts, one for finding reactions among existing molecules and generating new ones, and the other for numerically solving differential equations to calculate the concentration of each molecule. The two parts rely on each other. In particular, the former avoids a combinatorial explosion by setting a threshold on concentrations of molecules that can take part in reactions. Some simulation results are also presented: computation of Boolean circuits, formation of DNA tiles and simulation of polymerase chain reaction (PCR). As for PCR, we also tried to find good protocols for PCR amplification using Genetic Algorithm (GA).

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  • 進化型モデルによるヒット曲予測~予測に向けた分析~

    田中文英, 山村雅幸

    第13回人工知能学会全国大会講演論文集   1999年

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  • Aqueous Computing: Writing on Molecules

    Tom Hea, Masayuki Yamamura, Susannah Gal

    Proceedings of 1999 Congress on Evolutionary Computation (CEC99)   1006 - 1010   1999年

  • プログラムの学習

    山村雅幸

    進化経済論集 第3集 別冊   1999年

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  • 探索領域を適応的に調整する遺伝的アルゴリズムによるフロアプラン設計問題の一解法

    染谷博司, 山村雅幸

    電気学会論文誌C   119-C ( 3 )   393 - 403   1999年

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  • DNA computingにおける望ましいDNA配列の設計

    的場琢, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第26回知能システムシンポジウム資料   255 - 260   1999年

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  • 実数値GAにおけるシンプレクス交叉の提案と解析

    樋口隆英, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第26回知能システムシンポジウム資料集   267 - 272   1999年

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  • ベイジアンネットワーク上の強化学習のケペラロボットシミュレータへの応用

    小野塚卓, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第26回知能システムシンポジウム資料集   127 - 132   1999年

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  • 交通システムにおける適応的信号制御

    吉田功, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第26回知能システムシンポジウム資料   157 - 162   1999年

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  • A genetic algorithm without parameters tuning and its application on the floorplan design problem

    H Someya, M Yamamura

    GECCO-99: PROCEEDINGS OF THE GENETIC AND EVOLUTIONARY COMPUTATION CONFERENCE   620 - 627   1999年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:MORGAN KAUFMANN PUB INC  

    Genetic Algorithm (GA) has been applied to many difficult optimization problems. It is known that GA can find the globally optimum solution rapidly if the population holds both varieties and concentration sufficiently. However, it is difficult to satisfy both requirements at the same time, because they are often in the relation of tradeoff each other. Although existing methods have several parameters to control this tradeoff balance, tuning them before search is also difficult. In this paper, we propose GSA, Genetic algorithm with Search area Adaptation, which controls the tradeoff balance dynamically. We have applied GSA to the floorplan design problem. The experimental results have shown the effectiveness of this approach.

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  • Multi-parent Recombination with Simplex Crossover in Real Coded Genetic Algorithms

    Shigeyoshi Tsutsui, Masayuki Yamamura, Takahide Higuchi

    Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO-99)   657 - 664   1999年

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  • Aqueous Computing: Writing on Molecules

    Tom Hea, Masayuki Yamamura, Susannah Gal

    Proceedings of 1999 Congress on Evolutionary Computation (CEC99)   1006 - 1010   1999年

  • A Genetic Algorithm without Parameters Tuning and its Application on the Floorplan Design Problem

    Hiroshi Someya, Masayuki Yamamura

    Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO-99)   620 - 627   1999年

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  • 進化的計算における世代交代モデルの解析 (文部省S)

    山村雅幸, 小林重信, 佐藤浩

    創発的機能形成のシステム理論研究成果報告書 平成7-9年度   197 - 204   1999年

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    記述言語:日本語  

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  • 強化学習における習得済み政策の連結手法

    宮下洋, 山村雅幸

    計測自動制御学会 第26回知能システムシンポジウム資料集   121 - 126   1999年

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  • Multi-parent Recombination with Simplex Crossover in Real Coded Genetic Algorithms

    Shigeyoshi Tsutsui, Masayuki Yamamura, Takahide Higuchi

    Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO-99)   657 - 664   1999年

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  • 最小だまし問題を用いた世代交代モデルの解析

    山村雅幸, 佐藤浩, 小林重信

    人工知能学会誌   13 ( 5 )   746 - 756   1998年9月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:人工知能学会  

    GAs(Genetic Algorithms) evolve populatiions to search solutions for optimization problems by using the crossover, that is the unique operator in similar stochastic direct optimization techniques like SAs(Simulated Annealings). Generation alternation models are important to give controls on search processes. Analytic works should show how to design an encoding/crossover and a generation alternation model for given problems. Existing works have often used SGA(simple or standard GA) for a fixed generation alternation model, although it was often pointed out to be problematic for real applications because of its high selection pressure. This paper shows an analysis focused upon how generation alternation models influence crossover's effect in solving the minimal deceptive problems. We prepared two generation alternation models; SGA as one extreme and the rMGG(routellete minimal generation gap model) for the other extreme from Satoh's experimental analysis. We have made a Markov analysis for the MDPs(minimal deceptive problems) with relatively small populations. We show SGA-based GAs are easily deceived than rMGG-based ones, and stepping stones help crossover's effect in deceptive problems. We have planed three experiments on three bits and four bits FDPs(fully deceptive problems), and demonstrate these conjectures are not violated in these cases.

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  • 対戦型ゲームにおける戦略の共進化

    正畠 博政, 山村 雅幸

    知能システムシンポジウム資料   25   81 - 86   1998年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 進化型計算の工学応用

    山村雅幸, 小林重信, 小野功

    第37回計測自動制御学会学術講演会(SICE98)講演論文集   1998年

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  • Lifelong agentの強化学習

    田中文英, 山村雅幸

    ロボティクス・メカトロニクス講演会'98 講演論文集   1998年

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  • モンテカルロ法による遺伝的オペレータの解析

    山村雅幸

    SICEシステム/情報合同シンポジウム, 1998   1998年

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  • GAにおける形質遺伝過程の可視化と解析

    成田 知宏, 山村 雅幸, 小林 重信

    知能システムシンポジウム資料   24   151 - 156   1997年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 知識を持つエージェントの強化学習

    山村 雅幸

    自律分散システム・シンポジウム資料 = SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems   9   73 - 78   1997年1月

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    記述言語:日本語  

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  • 強制操作とタブ戦略を導入した進化型計算による発電プラント起動スケジューリング

    神谷 昭基, 小野 功, 山村 雅幸, 小林 重信, Akimoto Kamiya, Isao Ono, Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi, (株)東芝 府中工場発電計算機システム部:(株)東芝通信システム技術部勤務, Power Generation Computer System Dept. Fuchu Works Toshiba Corporation, Graduate School of Interdisciplinary Science & Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science & Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science & Engineering Tokyo Institute of Technology

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   12 ( 1 )   100 - 110   1997年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:人工知能学会  

    Power plant start-up scheduling is aimed mainly at minimizing the start-up time of both boiler and turbine, while limiting turbine rotor stresses to acceptable values. This problem, with a number of local optima, can be formulated as a combinatorial optimization problem. In order to find the optimal or near-optimal start-up schedule efficiently, we applied evolutionary optimization techniques-Genetic Algorithms (GA)-with an "enforcement operator" and "reuse function" ( [Kamiya 95] in English). The enforcement operator is to limit the search of GA-combined with local search strategy-near the boundary of the feasible solution space, where the optimal solution is supposed to exist. The reuse function is to memorize the simulation results of the objective function of those previously generated solutions, and to reuse them whenever an identical solution is generated. In this paper, in order to increase the search efficiency further, we extend our proposed framework to integrate tabu strategy with the local search GA. The tabu strategy is to forbid some moves at a present iteration in order to avoid cycling and to make early escape from a local optimal point possible. Test results suggest that GA integrated with tabu strategy has the best performance among stand-alone GA, stand-alone tabu search and simulated annealing with or without tabu strategy. In addition, the optimized solution reduces the start-up time by approximately 10%, or 20 minutes, relative to conventional methods.

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    その他リンク: http://id.nii.ac.jp/1004/00004163/

  • Reinforcement Learning on Bayesian Networks

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. of 24┣D1th┫D1 Intelligent Systems' Symposium SICE.   1997年

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  • Designing Function Emergence by Learning

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 36th SICE Annual Conference, International Session Papers   101 - 102   1997年

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  • An Approach to Lifelong Reinforcement Learning through Multiple Environments

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 6th European Workshop of Learning Robotics   93 - 99   1997年

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  • 「Lifelong Reinforcement Learning」の確立を目指して

    山村雅幸

    1997年度人工知能学会全国大会(第11回)論文集   417 - 420   1997年

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  • A Markov Analysis of Generation Alternation Models on Minimal Deceptive Problems

    Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi

    Proc. of FEA 97   1997年

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  • ベイジアンネットワーク上の強化学習のロボットナビゲーションへの応用

    山村雅幸

    1997年度人工知能学会全国大会(第11回)論文集   421 - 424   1997年

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  • Designing Function Emergence by Learning

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 36th SICE Annual Conference, International Session Papers   101 - 102   1997年

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  • An Approach to Lifelong Reinforcement Learning through Multiple Environments

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proceedings of the 6th European Workshop of Learning Robotics   93 - 99   1997年

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  • A Markov Analysis of Generation Alternation Models on Minimal Deceptive Problems

    Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi

    Proc. of FEA 97   1997年

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  • Floorplan Design Problemの確率的探索手法

    山村雅幸

    計測自動制御学会システム/情報合同シンポジウム'97講演論文集   215   215 - 220   1997年

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  • Bayesian Network上の強化学習

    山村雅幸

    第8回東京工業大学脳研究シンポジウム講演抄録集   26 - 33   1997年

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  • 進化的探索の理論と実際

    山村雅幸

    創発システム公開シンポジウム資料   10 - 15   1997年

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  • 大規模マルチエージェント系における環境変化に対する即応性の研究

    山村雅幸

    計測自動制御学会システム/情報合同シンポジウム'97講演論文集   1 - 6   1997年

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  • A GA Approach to Solving Reachability Probrems for Petri Nets

    TAKAHASHI Keiko, YAMAMURA Masayuki, KOBAYASHI Shigenobu

    IEICE transactions on fundamentals of electronics, communications and computer sciences   79 ( 11 )   1774 - 1780   1996年11月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:一般社団法人電子情報通信学会  

    In this paper we present an efficient method to solve reachability problems for Petri nets based on genetic algorithms and a kind of random search which is called postpone search. Genetic algorithm is one of algorithms developed for solving several problems of optimization. We apply GAs and postpone search to approximately solving reachability problems. This approach can not determine exact solutions, however, from applicability points of view, does not directly face state space explosion problems and can extend class of Petri nets to deal with very large state space in reasonable time. First we describe how to represent reachability problems on each of GAs and postpone search. We suppose the existence of a nonnegative parickh vector which satisfies the necessary reachability condition. Possible firing sequences of transitions induced by the parickh vector is encoded on GAs. We also define fitness function to solve reachability problems. Reachability problems can be interpreted as an optimization ones on GAs. Next we introduce random reachability problems which are capable of handling state space and the number of firing sequences which enable to reach a target marking from an initial marking. State space and the number of firing sequences are considered as factors which effect on the hardness of reachability problems to solve with stochastic methods. Furthermore,by using those random reachability problems and well known dining philosophers problems as benchmark problems, we compare GAs'performance with the performance of postpone search. Finally we present empirical results that GAs is more useful method than postpone search for solving more harder reachabi1ity problems from the both points of view; "reliability " and "efficiency."

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  • 部分観測マルコフ決定過程下での強化学習 : 確率的傾斜法による接近

    木村 元, 山村 雅幸, 小林 重信, Hajime Kimura, Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering Tokyo Institute of Technology

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   11 ( 5 )   761 - 768   1996年9月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:人工知能学会  

    Many conventional works in reinforcement learning are limited to Markov decision processes (MDPs). However, real world decision tasks are essentially non-Markovian. In this paper, we consider reinforcement learning in partially observable MDPs(POMDPs) that is a class of non-Markovian decision problems. In POMDPs assumption, the environment is MDP, but an agent has restricted access to state information. Instead, the agent receives observation containing some information about states of the MDP. Also we focus on a learnig algorithm for memory-less stochastic policies that map the immediate observation of the agent into actions: The memory-less approaches are suited for on-line and real-time adaptive systems that have limited memory and computational resources. Then, the following mathematical results are got. First, it can improve its policy to maximize immediate reward by stochastic gradient ascent without estimating any state or immediate reward. Second, it can improve the policy to maximize discounted reward in an initial state by stochastic gradient ascent without estimating any state, immediate reward or discounted reward. The above advantages are remarkably effective in POMDPs, because it is not required to estimate any states, immediate reward or discounted reward explicitly. Making use of these results, we present an incremental policy improvement algorithm to maximize the average reward in POMDPs. We ensure the rational behavior of the proposed algorithm in a simple experiment.

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    その他リンク: http://id.nii.ac.jp/1004/00004093/

  • GAによるパレート最適な決定木集合の生成

    小林 重信, 吉田 幸司, 山村 雅幸, Shigenobu Kobayashi, Koji Yoshida, Masayuki Yamamura, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science and Engineering Tokyo Institute of Technology

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   11 ( 5 )   778 - 785   1996年9月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:人工知能学会  

    The construction of decision trees by the ID3 algorithm is a very well known approach to inductive learning. However, it is necessary to prune decision trees constructed by the ID3 algorithm, because it cannot deal well with uncertainty due to noise in the data. When redundant features are included in a given feature set, the ID3 often tend to generate over-specialized decision trees. In recent years, the feature selection problem has been closed up in machine learning. This paper emphasizes that the feature selection as pre-processing, the complete tree generation as central-processing, and the pruning as post-processing should be unified. In general, accuracy and simplicity are requested of a decision tree. There is a tradeoff relation between accuracy and simplicity. This paper emphasizes that the decision tree induction should be formulated as a multi-objective optimization problem. The rational solutions of such a problem are known as Pareto optimal. This paper presents a genetic algorithm for generating Pareto optimal decision trees at once. The fitness is defined as a vector function of minimizing the error rate and minimizing the number of leaf nodes. The sub-trees exchange crossover and a sub-tree insertion as mutation are adopted to generate new decision trees. The non-Pareto optimal selection strategy is introduced as a model of generation alternation. Under this strategy, the population can come near to the true Pareto optimal set in progression. The algorithm is applied to the Digit benchmark problem and compared with the traditional approaches. The experiments show that the proposed algorithm can generate Pareto optimal solutions that dominate completely solutions obtained by the existing methods.

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    その他リンク: http://id.nii.ac.jp/1004/00004095/

  • 多目的GAによるポートフォリオ選択問題への接近

    高田 康行, 山村 雅幸, 小林 重信

    知能システムシンポジウム資料   23   103 - 108   1996年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 形質遺伝を考慮した順序交叉に基づくジョブショップスケジューリング問題の解法

    小野 功, 山村 雅幸, 小林 重信

    知能システムシンポジウム資料   23   97 - 102   1996年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 不完全知覚環境下での強化学習

    佐藤 誠, 山村 雅幸, 小林 重信

    知能システムシンポジウム資料   23   203 - 208   1996年3月

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    記述言語:日本語  

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  • 属性の識別能力の局所性を考慮した確率的決定木の構築

    吉田 幸司, 山村 雅幸, 小林 重信, Koji Yoshida, Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi, Graduate School of Interdisciplinary Science & Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science & Engineering Tokyo Institute of Technology, Graduate School of Interdisciplinary Science & Engineering Tokyo Institute of Technology

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   11 ( 2 )   264 - 272   1996年3月

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    記述言語:日本語  

    Generally, all the values of each attribute do not always work well in induction of any domain. It often causes poor performance of decision trees to handle thus values as ones of adequate discriminating Power. This paper presents a method of building probabilistic decision trees from continuous-valued attributes, considering locality of their discriminating powers. We cluster out the set of the training data into subsets, focussing on correlations among value of attribute and probabilities of identifications with each class. A set of each distribution of probability density of data, which is presumed from each subset, generate such branches corresponding to the level of the discriminating power and dealing with the noises in the attribute values of data stochastically. Empirical results compared with C4.5 shows some advantages, in applying them to real-world domain, diagnosis problem of image-processed data of cancer cells.

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  • 強化学習の技術的現状と理論的課題

    小林 重信, 山村 雅幸

    自律分散システム・シンポジウム資料 = SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems   8   105 - 110   1996年1月

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    記述言語:日本語  

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  • MarcoPolo - 報酬獲得と環境同定のトレードオフを考慮した学習システム

    宮崎 和光, 山村 雅幸, 小林 重信

    自律分散システム・シンポジウム資料 = SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems   8   121 - 126   1996年1月

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    記述言語:日本語  

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  • An Analysis of Crossover's Effect in Genetic Algorithms

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. of Joint Conference 96 SICE   1996年

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  • 遺伝的アルゴリズムにおける交叉の効果の解析

    山村雅幸

    計測自動制御学会システム/情報合同シンポジウム96   1996年

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  • Emergent search on double circle TSPs using subgour exchange crossover

    M Yamamura, Ono, I, S Kobayashi

    1996 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON EVOLUTIONARY COMPUTATION (ICEC '96), PROCEEDINGS OF   535 - 540   1996年

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    記述言語:英語   出版者・発行元:IEEE  

    Web of Science

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  • 強化学習の最新動向-非マルコフ性への展開-

    山村雅幸

    計測自動制御学会システム/情報合同シンポジウム96   1996年

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  • A Survey on Reinforcement Learning-Toward non-Markovian Environments-

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. of Joint Conference 96 SICE   1996年

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  • エージェントの学習 (<特集>「エージェントの基礎と応用」)

    山村 雅幸, 宮崎 和光, 小林 重信, Masayuki Yamamura, Kazuteru Miyazaki, Shigenobu Kobayashi, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能科学, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能科学, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能科学, Dept. of Intelligence Science Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Dept. of Intelligence Science Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Dept. of Intelligence Science Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering Tokyo Institute of Technology

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   10 ( 5 )   683 - 689   1995年9月

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    記述言語:日本語  

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  • 遺伝的アルゴリズムに基づく多目的最適化における棲分け

    高田 康行, 小林 重信, 山村 雅幸

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   9   339 - 342   1995年7月

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    記述言語:日本語  

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  • 動的環境における強化学習型マルチエージェント系の協調

    荒井 幸代, 山村 雅幸, 小林 重信

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   9   139 - 142   1995年7月

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    記述言語:日本語  

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  • 形質遺伝を考慮した遺伝的アルゴリズムに基づく関数最適化

    小野 功, 山村 雅幸, 小林 重信

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   9   335 - 338   1995年7月

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    記述言語:日本語  

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  • 遺伝的アルゴリズムによるペトリネットの諸問題の近似解法

    高橋 桂子, 小林 重信, 山村 雅幸

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   9   355 - 358   1995年7月

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    記述言語:日本語  

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  • 遺伝的アルゴリズムの工学的応用 (<小特集>「遺伝的アルゴリズムの新しい潮流」)

    山村 雅幸, 小林 重信, Masayuki Yamamura, Shigenobu Kobayashi, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能科学, 東京工業大学大学院総合理工学研究科知能科学, Dept. of Intelligence Science Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering Tokyo Institute of Technology, Dept. of Intelligence Science Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering Tokyo Institute of Technology

    人工知能学会誌 = Journal of Japanese Society for Artificial Intelligence   9 ( 4 )   506 - 511   1994年7月

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    記述言語:日本語  

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  • 遺伝的アルゴリズムによるパレート最適な決定木集合の生成

    亀井 尚博, 山村 雅幸, 小林 重信

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   8   393 - 396   1994年6月

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    記述言語:日本語  

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  • 強化学習における環境同定と経験強化のトレードオフ

    小林 重信, 山村 雅幸, 宮崎 和光

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   8   57 - 60   1994年6月

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    記述言語:日本語  

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  • 環境同定を考慮した経験強化型学習システム

    上原 忠弘, 山村 雅幸, 小林 重信

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   8   223 - 226   1994年6月

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    記述言語:日本語  

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  • 強化学習によるマルチエージェント間の協調

    岩下 健久, 山村 雅幸, 小林 重信

    人工知能学会全国大会論文集 = Proceedings of the Annual Conference of JSAI   8   227 - 230   1994年6月

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    記述言語:日本語  

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  • An Analysis of Crossorer's Effect in Genetic Algorithms

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. of 1┣D1st┫D1 ICEC   1994年

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  • An Analysis of Crossorer's Effect in Genetic Algorithms

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. of 1┣D1st┫D1 ICEC   1994年

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  • 遺伝的アルゴリズムによる組合せ最適化(<小特集>自然界に学ぶアルゴリズム)

    山村 雅幸, 小林 重信

    シミュレーション   12 ( 1 )   4 - 10   1993年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:日本シミュレーション学会  

    Genetic Algorithms (GA) is a kind of optimization method which models naive evolutional process. GA has number of design elements which have great affect to its performance. This paper tries to put them in order under a context of combinatorial optimization. We classify design elements into three levels ; coding/crossover design, fitness design, and parameter tuning. We also classify performance of GA into four levels ; random search, local search, global search, and well-balanced search. We show some typical trial and error examples for each design levels with scheduling problems. For coding/crossover design, we show GA remains random search unless a crossover preserves characters in traveling salesman problems. For fitness design, we show GA remains local search when deceptive fitness prevents to grow building blocks in nurse scheduling problems. For parameter tuning, we show higher crossover rate accelerates early convergence in jobshop scheduling problems.

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  • 遺伝的アルゴリズムの基礎と応用〔IV〕

    小林重信, 山村 雅幸

    オペレーションズ リサーチ   38 ( 8 )   419 - 429   1993年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人日本オペレーションズ・リサーチ学会  

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  • 高次結合バックプロパゲーションネットワークの能力について

    田中 賢, 山村 雅幸, 小林 重信

    計測自動制御学会論文集   28 ( 1 )   125 - 134   1992年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:計測自動制御学会  

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  • 形質の遺伝を重視した遺伝的アルゴリズムによる巡回セールスマン問題の解法

    山村雅幸

    人工知能学会誌   7 ( 6 )   1049   1992年

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  • Solving TSPs by Genetic Algorithms considering character preservingness

    MASAYUKI YAMAMURA

    Journal of JSAI   7 ( 6 )   1049   1992年

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  • An Augmented EBL and its Application to the Utility Problem

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. 12┣D1th┫D1 IJCAI   1991年

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  • An Augmented EBL and its Application to the Utility Problem

    MASAYUKI YAMAMURA

    Proc. 12┣D1th┫D1 IJCAI   91   623 - 628   1991年

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  • 拡張EBLに基づく問題解決マクロテーブルの獲得

    山村雅幸

    人工知能学会誌   6 ( 1 )   72 - 83   1991年

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    記述言語:日本語  

    The augmented EBL is a framework for knowledge refinement based on generalization from examples. It is different from conventional EBL that plural examples are considered simultaneously. It has been formalized on logic program, and relationships between generalization space of plural examples and operationality criteria have been discussed. In this paper, we forcus on a class of problem solving that have serially decomposable subgoals, and propose an augmented EBL learner that acquires a problem solving macrotable from examples. The learning problem is formalized on logic program. A domain theory consists of operator definitions which is the minimal knowledge for problem solving. A solution order is a sequence of generalizations of the goal. A macro table is a logic program, which is ordered reversally to the solution order. Given operator sequences of macros and their row positions in the macro table, it is shown easy to determine the instantiation of macros, that is precondition and conclusion, and the solution order. Thus it is substantial to determine operator sequences and their row positions in order to learn a macro table. We propose an augmented EBL learner that uses membership queries in addition with randomly given positive examples. Membership queries are used through two concepts of a decomposition and a serialization table. An example is decomposed into a composition of macros. The serialization table enumerates all feasible orderings of 2 macros according to results of membership queries against their compositions. The usefulness of the learner is shown by applying to 8-puzzle. The serialization table is shown complete, then the learner acquires correct macro table. The complexity of the learner is polynomial in the size of macro table when there exist no composite macros, that is decomposable into other macros. Current implementation generates exponentially many membership queries of the size of composite macros if they exist. It is a further issue to resolve this difficulty.

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  • Learning Problem Solving Macrotalbes based on an Augmented EBL

    MASAYUKI YAMAMURA

    Journal of JSAI.   6 ( 1 )   72   1991年

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  • An Angmented EBL considering Plural Exanples

    MASAYUKI YAMAMURA

    Journal of JSAI   4 ( 4 )   389   1989年

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  • EBLの複数例題下への拡張

    山村雅幸

    人工知能学会誌   4 ( 4 )   389 - 397   1989年

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    記述言語:日本語  

    EBL (explanation based learning), a framework for learning based on generalization from examples, has favorable properties for knowledge refinement in knowledge based problem solving systems. In the existing EBL, learning experiences have no coherence because each learning session is separated from the others. The purpose of knowledge refinement is to make problem solving process more efficient. Thus, in order to apply EBL to knowledge refinement, it is necessary to augment its framework to consider plural examples simultaneously and introduce appropriate operationality criteria. In this paper, the framework of EBL is augmented on plural examples, and considering relations between generalizations and operationality, a learning method is proposed to generate operational generalizations incrementally. The conceptualframework of augmented EBL is based on the generate-and-test paradigm with the generalization as a generator and the operationality as a test. This is formalized on the logic program. A generalization on one explanation structure is defined by an uninstantiation and an unresolution. This process is a generalization of the Mitchell's goal regression method. A macro table is generated from a generalization of a set of explanation structures for given examples. Operationality criteria are defined by two measures of the maximization of the usage degree and the minimization of the backtracking number. These measures reflect what is a useful macro table in pure-Prolog. The usage degree increases monotonically in the generalization space, but the backtracking number increases monotonically only in the n-usage subspace, which consists of generalizations that have usage degree of n. Therefore, minimal generalizations of the n-usage subspaces are useful to find operational generalizations. A concept of least EBG is introduced as such a generalization. There exists the least EBG for any set or explanation structures. It can be obtained by computing the least EBG of two explanation structures incrementally. They are minimal generalizations of n-usage subspaces. Thus, least EBG is usefull to find operational generalizations incrementally. A learning system with an incremental least EBG generator has been implemented. Its usefulness is demonstrated in the field of indefinite integration. It can generate complicated generalizations from a few examples, for which a huge number of examples are required in the existing SBL system. The macro tables obtained by this system are more compact and effective than those or learning systems that merely collect macros step by step.

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講演・口頭発表等

  • 細胞ウェアの理論的・システム科学的側面

    2008年 

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  • An Implementation of Aqueous Memory Molecules with Light Responsive DNAs

    2007 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2007)  2007年 

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  • A realization of DNA molecular machine that walks autonomously by using a restriction enzyme

    Thirteenth International Meeting on DNA Based Computers (DNA13)  2008年 

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  • An Interface for a Computing Model Using Methylation to Allow Precise Population Control by Quantitative Monitoring

    Thirteenth International Meeting on DNA Based Computers (DNA13)  2008年 

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  • A realization of DNA molecular machine that walks autonomously by using a restriction enzyme

    Thirteenth International Meeting on DNA Based Computers (DNA13)  2008年 

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  • An Interface for a Computing Model Using Methylation to Allow Precise Population Control by Quantitative Monitoring

    Thirteenth International Meeting on DNA Based Computers (DNA13)  2008年 

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  • Experimental Validation of Signal Dependent Operation in Whiplash PCR

    Fourteenth International Meeting on DNA Based Computers (DNA14)  2009年 

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  • 自律DNA分子計算 ‐ in vitro インテリジェンスの構築

    システム・情報部門 学術講演会 2009 (SSI2009)  2009年 

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  • Experimental Validation of Signal Dependent Operation in Whiplash PCR

    Fourteenth International Meeting on DNA Based Computers (DNA14)  2009年 

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  • Predicting the Expression Levels of Recombinant Protein by using Reinforcement Learning

    the 8th IASTED International Conference on Intelligence Systems and Control (ISC2005)  2005年 

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  • 分子コンピューティングの現状と新展開

    第28回情報・システム・利用・技術シンポジウム  2005年 

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  • 負荷変動の局所性にロバストなルーティングアルゴリズムの提案

    第32回知能システムシンポジウム  2005年 

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  • Congestion Detection and Clearing History of Trip Time in AntNet

    IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2005)  2005年 

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  • 分子強化学習の実現に関する研究

    第32回知能システムシンポジウム  2005年 

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  • アクエアスコンピューティングのスケールアップ

    第32回知能システムシンポジウム  2005年 

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  • Predicting the Expression Levels of Recombinant Protein by using Reinforcement Learning

    the 8th IASTED International Conference on Intelligence Systems and Control (ISC2005)  2005年 

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  • Predicting protein disordered region from classified data

    EABS&BSJ2006 (Fifth East Asian Biophysics Symposium & Forty-Fourth Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan)  2006年 

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    会議種別:ポスター発表  

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  • Congestion Detection and Clearing History of Trip Time in AntNet

    IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2005)  2005年 

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  • NMR測定データのマイニングによるタンパク質不安定性予測

    第33回知能システムシンポジウム  2006年 

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  • 時系列クラスタリングのためのスパイダーアルゴリズム

    バイオ情報学研究会  2006年 

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  • Simplexスライディングモード制御における制御ベクトルの設計法

    第33回知能システムシンポジウム  2006年 

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  • 光結合DNAを用いたアクエアスメモリーの作成

    第33回知能システムシンポジウム  2006年 

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  • Predicting protein disordered region from classified data

    EABS&BSJ2006 (Fifth East Asian Biophysics Symposium & Forty-Fourth Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan)  2006年 

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    会議種別:ポスター発表  

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  • リズム運動の強化学習における有効な状態構成法

    第33回知能システムシンポジウム  2006年 

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  • An Implementation of Aqueous Memory Molecules with Light Responsive DNAs

    2007 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2007)  2007年 

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受賞

  • 人工知能学会2001年度全国大会優秀論文

    2001年  

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    受賞国:日本国

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  • IIZUKA'96優秀論文(Best Paper Award at IIZUKA96)

    1996年  

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    受賞国:日本国

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  • 人工知能学会1995年度全国大会優秀論文

    1995年  

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    受賞国:日本国

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  • 人工知能学会1994年度全国大会優秀論文

    1994年  

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    受賞国:日本国

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  • 人工知能学会1994年度論文賞

    1994年  

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    受賞国:日本国

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 元素特異的ナノスケールCTで迫る微生物と生息空間―ナノ空間地球微生物学の幕開け

    研究課題/領域番号:20K20952  2020年7月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)

    諸野 祐樹, 山村 雅幸, 浦本 豪一郎, 谷川 亘

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    配分額:6370000円 ( 直接経費:4900000円 、 間接経費:1470000円 )

    本研究ではナノスケールで物質の三次元構造観察を可能とするコンピューター断層撮影(XCT)を活用し、環境試料中に存在する微生物及びその生息空間の三次元観察を目的としている。地球バイオマスの数~10%程度を占め、その生態が謎に包まれる海底下微生物について、極限環境における生命存続戦略や地球規模の元素循環に果たす役割を明らかにすることを目指した研究課題である。微生物のみならず、地層中の微小鉱物との相互作用、相互配置を含めた総合的な地層環境の解析を可能とする技術へとつながるものである。
    本研究では、ナノスケールX線CT(NanoxCT)により微生物とその生息空間を可視化する。DNA解析等の分子生物学、および光学・電子顕微鏡解析の発展は環境微生物の機能・生き様を次々と明らかにしてきた。しかし、微生物とそれを取り巻く微小空間、つまり「微生物の家」について立体的かつサブミクロンスケールで観察した例は皆無であり、地層環境のどこに、どうやって微生物が存在しているのか、知見が全くない。全地球バイオマスの数~10%程度を占め、生態が謎に包まれる海底下微生物を観察対象とし、極限環境における生命存続戦略や地球規模の元素循環に果たす微生物生命の本質に迫る。
    本年度はオスミウム染色などでコントラストを得た微生物が、三次元的にどのような可視化のされ方をするのかを詳細に検討した。純粋培養した菌体やそれと堆積物試料を混合した標準試料を作成し、NanoxCTで可視化を行った。樹脂に包埋することによって試料の変形を抑えつつ測定を行ったところ、大腸菌レベルの細胞サイズでも、一つの細胞を可視化で来ている状態を2次元スライス画像上で確認することが出来た。

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  • 生命の生存限界を探る:海底下高温高圧環境での活動的生命圏の限界と生き残り戦略

    研究課題/領域番号:19H00730  2019年4月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    諸野 祐樹, 伊藤 民武, 伊藤 元雄, 井尻 暁, 阪口 昌彦, 星野 辰彦, 山村 雅幸, 若松 泰介

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    配分額:45760000円 ( 直接経費:35200000円 、 間接経費:10560000円 )

    本研究では、生命の存続に必須の「栄養供給」と均衡する生命活動を明らかにするため、海底下地層環境を題材として、そこで連続的、経時的に変化する温度・圧力条件と生命およびその存続について観察することを目的としている。この観察により、地球内部での生命圏限界、または限界をもたらす物理化学的、生理学的因子を解明し、さらに限界生命圏の姿、生命の適応メカニズム、進化学的な議論を展開することを期待している。
    本課題では、昨年度までは国際深海科学掘削計画(IODP)におけるグアイマス海盆掘削航海において、高温の熱水が循環し、有機物の現場分解による炭化水素の供給も活発な生命圏から得られた試料において、高感度の生命検出などの第一次分析、および地層試料を現場温度・圧力等、様々な条件で培養する高温高圧培養装置において純粋菌株を用いた培養を実施していた。メタン菌や硫酸還元菌など、高温高圧環境から取得された培養株を用いた試験を実施、常圧環境での培養との挙動の違いなどについての解析を実施したところ、高圧をかけると常圧で実施したこれまでの取得データと異なる培養特性を示した。これはその後の掘削試料を用いた培養の成否に関わる重要なポイントと判断し、研究期間を延長して純粋菌株での高温高圧検証実験を繰り返し、細胞の増殖を確認した。その後、掘削試料を用いた高温高圧実験を延長した研究期間から開始した。延長期間ではまず高温高圧環境下で非生物的に起こる反応の検証を目指し、滅菌済みの試料から炭化水素が遊離してくる様子が観察された。

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  • ウェットGA型高度並列進化計算による人工遺伝子回路および微生物ネットワークの設計

    研究課題/領域番号:17H01796  2017年4月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    山村 雅幸

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    配分額:17810000円 ( 直接経費:13700000円 、 間接経費:4110000円 )

    本研究では、これまでのウェットGA研究の成果を踏まえ、スパイラルの次の段階として計算モデルの応用を考え、①合成生物学における人工遺伝子回路、および②多種の微生物からなる生態系ネットワークの設計を試みてきた。結果的に、①人工遺伝子回路の接続・大規模化に関する成果、②微生物生態系のモデル化・分析・設計制御に関する成果をそれぞれ得ることができ、加えて③テータ分析のための深層学習の基礎に関する成果を得た。特に、②微生物生態系のモデル化・分析・設計制御は、テーマおよび手法の新規性に加えて、農林水産業・環境保全など広範な応用の可能性を持ち、今後の発展が期待できる。

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  • 合成生物学的に実証可能な隣接細胞間通信系による多細胞アナログ/デジタル計算

    研究課題/領域番号:15K12092  2015年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究

    山村 雅幸, 鈴木 泰博, 野村 慎一郎, 伊藤 浩史, 関根 亮二

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    配分額:3640000円 ( 直接経費:2800000円 、 間接経費:840000円 )

    自然計算としての合成生物学は、細胞集団をターゲットとできる段階に入った。従来研究は均一に混合された空間構造を持たない細胞集団を小分子で制御する段階にとどまっている。本研究では、合成生物学的に実証可能な細胞集団による計算モデルの提案を試みる。自然の温泉地に形成される微生物マットを題材として取り上げ、光条件をコントロールした複数サンプルを取り、メタゲノム解析を行った。光条件の変化によってマットを形成する微生物の属分布が変化する様子が観察された。

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  • ウエットGAの生物学実験データの分析に基づく高度並列型進化計算の実現

    研究課題/領域番号:26280095  2014年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    山村 雅幸, 坂本 健作, 染谷 博司, 小宮 健

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    配分額:16380000円 ( 直接経費:12600000円 、 間接経費:3780000円 )

    生命にアイデアを得た進化計算の応用を通じて培われた探索戦略を、分子上に実装したウェットGA を提案し、タンパク質工学に応用してきた。本研究はこれらの成果を踏まえ、スパイラルの次の段階として計算モデルを洗練化し、実装を試みた。予想したほど並列計算の効率が上がらないという困難が観察された。集団サイズと、最適解を発見するまでの世代数とのトレードオフについて、巡回セールスマン問題と関数最適化問題を用いて、より詳細に調べた。解くべき最適化問題が簡単すぎると、並列度は無駄になることがわかった。

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  • オルガネラ計算

    研究課題/領域番号:25540098  2013年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究

    山村 雅幸, 鈴木 泰博

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    配分額:3770000円 ( 直接経費:2900000円 、 間接経費:870000円 )

    地球上の細胞には原核細胞と真核細胞がある。原核細胞は環境で生き残ることに特化されている。真核細胞は核、ミトコンドリア、ゴルジ体等のオルガネラ(細胞小器官)を持つ。オルガネラは原核細胞の共生を起源とし、多細胞生物において様々な高次機能を実現している。本研究はオルガネラ計算の枠組みを提案し、合成生物学と計算機シミュレーションによってその計算能力を明らかにする。
    現状ではミトコンドリアの遺伝子組み換えが技術的に困難であることから、生体分子DNAの熱力学的特性を利用して機能性ナノマシンを構築した。また、計算機のLinuxオペレーティングシステム上で直接動作し、進化する人工生命プログラムを開発した。

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  • 合成生物学の技術基盤構築

    研究課題/領域番号:23119001  2011年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    岡本 正宏, 花井 泰三, 田川 陽一, 柘植 謙爾, 木賀 大介, ロンデレーズ ヤニック, 陶山 明, 山村 雅幸, 伊庭 斉志

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    配分額:61100000円 ( 直接経費:47000000円 、 間接経費:14100000円 )

    2000 年頃から米国で合成生物学という研究が行われている。すでに、同定済みの相互作用する生体分子を組み合わせた人工遺伝子回路を設計して、振動やスイッチなどの特定の細胞内現象を再現させようとする試みや、別の生物由来の酵素遺伝子を複数組み合わせた人工代謝経路を設計し、その生物が本来生産できない物質を大量生産させる試みが行われている。
    本領域では、①人工遺伝子回路や人工代謝経路の探索・設計を行う情報科学と、②無細胞系で回路・経路構築を行う工学と、③細胞内へ回路・経路を導入する分子生物学の技術を結集し、有機的に連携することで、世界に先駆けた合成生物学を展開するための技術基盤を構築する。

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  • 数理モデルを用いた動的な人工遺伝子回路の設計と解析

    研究課題/領域番号:23119008  2011年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    山村 雅幸, 小長谷 明彦, 鈴木 泰博, 小林 徹也, 望月 敦史, 高安 美佐子, 小野 功, 伊藤 浩史, 関根 亮二

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    配分額:41340000円 ( 直接経費:31800000円 、 間接経費:9540000円 )

    5つのサブテーマに沿って研究を進めた。(1)基本素子のモデル化では、木賀班と連携して最も基本的な転写回路と細胞間通信を対象とした。(2)複雑な人工遺伝子回路のデザインでは、与えられた振動パターンを実現する発振回路をベンチマーク題材とした。(3)大規模な人口代謝経路システムの制御では、基本素子の接続についての解析に焦点を絞った。(4)細胞群システムのデザインと制御では、当初計画の多細胞生物の臓器に替えて、複数種からなる微生物マットを題材とした。(5)共通モデリングベンチの開発では、非線形微分方程式システム、確率過程システム、セル構造ダイナミックシステムなどの個別のモデル化手法を実装した。

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  • ウェットGAの分子実現に基づく高度並列型進化計算理論の構築

    研究課題/領域番号:23300084  2011年4月 - 2014年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    山村 雅幸, 坂本 健作, 染谷 博司, 小宮 健

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    配分額:20410000円 ( 直接経費:15700000円 、 間接経費:4710000円 )

    生命にアイデアを得た進化計算の応用を通じて培われた探索戦略を分子上に実装したウェットGA を提案し、タンパク質tyrRS の基質改変をテストベッドとして、12 世代の理想的な集団分布の推移を実現した。適応度地形の特徴をモデル化し、探索が1つの局所解からはじめられる進化計算の効果的な世代交代モデルに従って実際に進化させた。各世代の変異体のシーケンスを全解読し、変異の蓄積分布を分析した。並列度の高い計算機アーキテクチャーを前提とした新しい進化計算の理論を考案した。

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  • 糖鎖計算~第三の生命鎖の潜在能力

    研究課題/領域番号:23650069  2011年 - 2012年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的萌芽研究

    山村 雅幸, 鈴木 泰博

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    配分額:3770000円 ( 直接経費:2900000円 、 間接経費:870000円 )

    糖鎖は、核酸、タンパク質に続く第三の生命鎖と呼ばれ、例えば血液型のように細胞の識別子として重要な役割を担っている。核酸やタンパク質とは異なり、枝分かれ構造を持ち、テンプレートによらないユニークな多段階の構築過程を経て合成される。本研究では、糖鎖の構築過程を一種の情報処理としてとらえ、その潜在能力を解析した。初年度には糖鎖の構築過程のシミュレータを作成した。最終年度には、反応空間を3段としてシミュレーション実験を行った。全体を通じて、理論的考察の結果、糖鎖計算は文脈自由言語を受理する能力を持つことが分かった。シミュレーションの結果、糖鎖の構築過程が3段に分かれていることが、特定のパターンを効率的に生み出すうえでクリティカルであることが明らかとなった。

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  • 計算機科学における離散と連続に関する調査と新しい展開

    研究課題/領域番号:18630001  2006年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    山下 雅史, 萩谷 昌巳, 上田 和紀, 渡辺 治, 山村 雅幸, 増澤 利光

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    配分額:2400000円 ( 直接経費:2400000円 )

    特定領域研究を申請するために3回の会議を開催した。5月27日には名古屋で「自然計算における離散と連続」、7月15日には東京で「自然計算における理論と実証」、9月2日には東京で「申請に向けて」、である。特定領域研究「自然計算--構成的アプローチの実証とその理論--」を11月に無事に申請した。さらに、今後のこの分野を概観するための第4回会議を3月24日に東京で開催した。
    本基盤研究(C)の成果の第1は特定領域研究「自然計算--構成的アプローチの実証とその理論--」の企画・申請である。次に、基盤研究(C)を申請した段階では、自然計算を理解する問題を離散と連続の間の問題であると矮小に捕らえていたのだが、特定領域研究の申請段階では、ハイブリッド的確率的多体的システムに対する計算論として自然計算を理解するようになった。これが、基盤(C)の調査研究としての側面の具体的な成果である。
    現存しないハイブリッド的確率的多体的システムの計算論の必要性を、構成的材料工学と合成生物学に対する応用と新しい理論情報科学分野の開拓という両面から訴えたのが特定領域研究「自然計算--構成的アプローチの実証とその理論--」である。離散性と連続性の問題であるハイブリッド性の他に、自然の持つ揺らぎと超分散性を自然計算の基本要素であると理解し、これらの性質を持つシステム上の計算論の構築とその応用を研究分野として申請した。

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  • 光結合性DNAとマイクロリアクタによる大規模高速アクエアスコンピューティング

    研究課題/領域番号:17200022  2005年 - 2006年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    山村 雅幸, 清尾 康志, 藤井 輝夫, 藤本 健造

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    配分額:49530000円 ( 直接経費:38100000円 、 間接経費:11430000円 )

    DNAコンピュータには、(1)配列設計、(2)スケール、(3)信頼性の3つの課題がある。本研究は、配列設計不要(1)なアクエアスコンピューティングにおいて、光反応性DNAなどの有機化学的書込みによるスケールアップ(2)をはかり、マイクロ流体デバイス化によって高信頼化(3)を実現することを目的とした。
    山村によるアクエアスシステムの構築では、光結合性DNAを用いて20塩基11語からなる配列セットに関する書込み実験によって、4ビットの計算が可能であることを示した。
    藤井によるマイクロ流体デバイス上での微量液滴ハンドリング技術の開発としては、デバイス周辺技術等の整備を行い・オンデマンド(任意の液体・量・タイミング)式で液滴(約160pL)の生成・合一の操作が可能となった。またDNA-PNA分子の反応・電気泳動分析をデバイス上で連続的に実現できた。
    清尾による有機化学的書込み技術の開発としては、トリチルチオ基の酸化的脱保護を利用した分岐DNAの合成を検討した。分岐ポイントとして、トリメシン酸のカルボキシル基からアミドを解して3つの水酸基を導入した誘導体を用い、各水酸基に対し、DMTr保護、TrS保護およびホスホロアミダイトへの変換を行い分岐ユニットとした・この分岐ユニットを用いて分岐DNA30量体の合成条件を種々検討したところ活性化剤にACT42、酸化剤にCSOを用いた場合にもっとも高純度かつ高収率で分岐DNAを合成することができた。
    藤本による光DNA操作の基礎技術開発としては、光連結だけでなく光照射によるDNA光解裂反応の開発を行なった。チミンダイマーを含むDNAを用いて光解裂実験を行なったところ、光増感剤であるカルバゾールを含むDNAを用いると触媒的に光解裂できることを見出した。従来の光ライゲーション反応に加えて光解裂反応もアクエイアスコンピューティングのツールとして利用可能となった。

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  • 分子プログラミング

    研究課題/領域番号:14085101  2002年 - 2007年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特定領域研究

    萩谷 昌己, 有川 節夫, 小林 重信, 米澤 明憲, 佐藤 雅彦, 小長谷 明彦, 塩谷 光彦, 陶山 明, 横森 貴, 山村 雅幸, 小野 治, 都甲 潔

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    配分額:54500000円 ( 直接経費:54500000円 )

    本研究領域の目標は,主としてDNA分子によって作られた分子システムのためのシステマティックな設計論を確立することである.本研究領域の研究項目は多岐に渡っており,その研究成果も膨大であるため、本研究領域の主目的である,分子計算のための計算分子と分子反応の設計論および応用に関係する研究成果の中から,領域全体を通して主要なものを取捨選択し簡潔にまとめると,以下のようになる.
    1.計算分子(DNA配列)の設計論(1-1)望ましくない構造を作らない配列の設計(1-2)望ましい構造を作る配列の設計(1-3)自在に構造変化する配列の設計(1-4)構造変化の数理モデルと実験的検証
    2.分子反応の設計論(2-1)反応の並列化(2-2)反応の精密化(2-3)進化のための反応
    3.計算論的ナノテクノロジー応用(3-1)DNAナノ構造の高信頼アセンブリ(3-2)4*4DNAタイルによるバイナリカウンタの実現(3-3)ヘアピンとバルジによる並行計算(3-4)光ライゲーションによる耐熱性DNAナノ構造体の構築
    4.合成生物学応用(4-1)in vitro論理演算素子,発振素子の構築(4-2)in vivo論理演算素子の構築(4-3)大腸菌を用いたバクテリアコンピュータの開発(4-4)WetTDGAによるaaRSの基質改変
    (1),(2)は基礎的な設計技術に関する理論および実験であり、主として研究期間の前半の成果である.特に(1)の配列設計は, DNAを計算分子とするすべての分子計算に共通した基礎的成果である。(3),(4)は,分子プログラミングの次世代の展開として重要視されている計算論的ナノテクノロジーおよび合成生物学への応用研究であり,研究期間の後半の成果である.

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  • ナチュラルコンピューティングの分子実現とその設計論

    研究課題/領域番号:14085203  2002年 - 2006年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特定領域研究

    山村 雅幸, 樺島 祥介, 木賀 大介, 伏見 譲, 春木 満, 染谷 博司, 新田 克巳, 太田 元規, 喜多 一, 井上 真郷, 坂本 健作

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    配分額:110700000円 ( 直接経費:110700000円 )

    本研究は分子計算によって培われた情報科学・生命科学の協力体制によって、分子進化という同一の課題に取組むことを目的とした。
    ウエット進化計算の分子実現について、染谷と山村は、タンパク質工学のために「探索が任意のある一点から開始される」確率的最適化の手法を検討した。SAなどの既存手法の分子実現について理論的に考察し、遺伝的アルゴリズムに基づく主要を提案して、計算機実験により有効性を確かめた。
    春木はランダム変異およびDNAシャッフリングによる大腸菌リボヌクレアーゼHの耐熱化実験、および大腸菌リポヌクレアーゼHIの耐熱化機構の熱力学的解析を行った。
    木賀は構成生物学の立場から、工学一般における部品や作業の標準化という観点から遺伝子工学を改めて見直すことを試みた。部品の標準化に役立つフォーマットを提案し、実際に条件判定を行うためのパーツを構築してAND論理演算が可能であることを示した。さらに、Tokyo Allianceと称するチームを率いて、第3回国際人工遺伝子回路コンテストに参加し、最優秀部品賞、最優秀共同作業賞のふたつを受賞した。
    進化リアクタの作成では、伏見は、mRNAの5'末端と、蛋白質のN末端付近を結合したin vitroウイルスを作製した。また、等温核酸増幅進化リアクタープロセスによるプロモーターの進化を実現した。
    理論解析では、樺島は、多数のユニットが複雑に結合した系を数理的に解析する方法論について研究した.特に平均場近似のための効率的な数値最適化アルゴリズムを開発し、3体スピングラス模型で最近提唱された理論予想を支持する結果を得た。

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  • アクエアスコンピューティングのドロップレット実装と分子強化学習への応用

    研究課題/領域番号:14380157  2002年 - 2004年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    山村 雅幸, 藤井 輝夫, 山本 貴富喜

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    配分額:16900000円 ( 直接経費:16900000円 )

    DNAコンピューティングにおいてブレークスルーを要する課題は、(1)汎用性の実現、(2)操作性の向上、(3)キラーアプリケーションの提案にある。
    本研究の目的は、アクエアス・コンピューティングを、ドロップレットを用いて自動化することで、(1)汎用、かつ(2)操作性の高いDNAコンピュータを実装するとともに、生体分子のように安価に使い捨てられる材料を用いて試行錯誤回数を確保する(3)分子強化学習をキラーアプリケーションのひとつとして実現することにある。
    PNAを用いた分子メモリの実装についてマイクロリアクタによる超高効率書込み(90%以上)技術を提案し、実現した。
    LAMP法を用いた分子強化学習方法を提案し、生物実験により実現性を確認した。

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  • アクエリアスコンピューティングにおける大容量分子生物学的実装と応用

    研究課題/領域番号:12480084  2000年 - 2001年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    山村 雅幸

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    配分額:8100000円 ( 直接経費:8100000円 )

    本研究の目的は、DNAコンピューティングの一種である、アクエアス・コンピューティングに基づく超並列計算の枠組みのもとで、より高度で現実的な工学的応用の基礎となる、分子メモリの大容量化とその応用にある。本年度の成果は大きく分けて次の2つからなる。
    1 DNA-PNA-PNAの3重鎖形成による3ビットメモリの実現 1本鎖DNAとbis-PNA(同じ配列のPNAを2本、短いポリマーで結んだ特殊な分子)による3重鎖形成現象について、実験条件を変化させて反応効率を調べ、基礎検討データを収集した。PNAの配列設計についていくらかの経験則が蓄積できたため、初年度に見られた極端な収率悪化は回避できた。研究者による天然酵素を用いた従来手法と同等の3ビットメモリを実現した。
    2 メモリ状態の複製法の信頼性確認実験 萩谷らの鞭打ちPCR法の応用として研究者が初年度に提案した分子メモリの状態の複製手続きについて、信頼性確認実験を行った。そこでは鞭打ちPCR法により、DNAとbis-PNAが3重鎖形成した部分をスキップするように複製が行われるため、破壊書込みされたメモリーの状態が複製できる。複製された分子はDNAのみからなるので、随意に増幅することができ、後段の任意のDNAコンピューティングに受け渡すことができる。最も単純な1ビット分のスキップが起こることを確認した。
    以上のように、実応用規模の分子メモリは実現できなかったが、当初計画と比較して成果1)は天然酵素に依存した従来法と同等の容量を実現し、成果2)はメモリアクセスの階層化などに結びつくため、大規模化のてがかりとなる成果であると考えている。

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  • 知識を持った強化学習の実現と解析

    研究課題/領域番号:10680372  1998年 - 1999年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    山村 雅幸

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    配分額:3300000円 ( 直接経費:3300000円 )

    本研究の成果は、知識を持った強化学習の実用化に関わる次の3つからなる。
    1)ベイジアンネットワーク上の強化学習の提案と応用
    設計時の知識埋め込みの基礎技術として、信念伝搬則から確率的傾斜法における傾斜伝搬則を導出し、実ロボットに近い応用として、ケペラロボットシミュレータによる迷路走行タスクにおける知識の埋め込みを試みた。ケペラのように感覚が極めて貧弱なロボットでは、通常迷路走行は非効率的な方法でしか実現できないが、地図のような知識を埋め込むことには絶大な効果があり、最適に近い行動政策を学習できることを確認した。
    2)習得済み知識の利用法の提案と応用
    実行時の知識利用の枠組みとして、ライフロング学習の考え方を導入し、簡単な迷路走行タスクにおいて学習のコントロールパラメータを経験から抽出するライフロング強化学習を実装しその効果を確かめた。また、特殊ケースとして、迷路走行タスクにおいて習得済みタスクを直接連結するタイプのライフロング強化学習を提案して、タスク連結が効果的であるための条件について理論解析し例示した。
    3)オープン環境に置かれたマルチエージェント強化学習への応用
    強化学習の新しい問題領域として、オープン環境に置かれたマルチエージェント強化学習の開拓を試た。そこでは、頻繁に環境変動が起こる上に、あるエージェントの学習が他のエージェントにとって予期せぬ環境変動となりうるため、通常の強化学習は困難である。交通システムにおける信号制御に分散強化学習を適用して、環境変動への追従の様子を調べた。また、分散強化学習の一種である双方向AntNetを用いて、従来手法より環境変動に頑健なネットワークの適応的経路制御を実現した。

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  • 進化的探索の理論

    研究課題/領域番号:07243104  1995年 - 1997年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  重点領域研究

    小林 重信, 椹木 哲夫, 寺野 隆雄, 玉置 久, 小圷 成一, 筒井 茂義, 片井 修, 出口 弘, 山村 雅幸

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    配分額:61100000円 ( 直接経費:61100000円 )

    進化的計算では,コード化/交叉の設計および世代交代モデルの設計が基本となり,前者は形質遺伝という視点,後者は多様性維持という視点が重要である.本年度は,過去2年間の実績を踏まえて,工学的応用可能性を意識しつつ研究を進め,下記の点において大きな研究成果を得た.
    (1)コード化/交叉の設計:
    巡回セールスマン問題(Traveling Salesman Problem:TSP)を対象に枝交換交叉(Edge Assembly Crossover)を考案し,1万都市規模の問題Pの最適解を効率よく見いだすことに成功した.また,ジョブショップスケジューリング問題(Job Shop Scheduling Problem)を対象にIntermachine Job-based Order Crossoverを考案し,ベンチマークFT10×10,FT20×5に適用して,最適解を非常に高い確率で見いだすことに成功した.さらに,関数最適化を対象に正規分布交叉(Normal Distribution Crossover)を考案し,従来法と比べて,多峰性関数に対して頑健な性能を示すことを確認した.
    (2)多様性維持に優れた世代交代モデルについて:
    多様性維持に優れた世代交代モデルとして提案したMGG(Minimal Generation Gap)について,最小騙し問題を用いてその有用性を解析した.
    (3)工学的設計問題への応用:
    進化的計算の工学的設計問題への応用として,レンズ設計,並列機械スケジューリング,VLSIフロアプラン設計,プリント基板設計への適用を試み,有用性を確認した.特に,レンズ設計においては,従来の最適化手法では設計が不可能とされていた3枚以上のレンズ系の設計自動化に成功した.本研究の成果は100年以上の歴史のある光学設計の分野にブレークスルーをもたらすものと産業界からも高く評価されている.

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  • 不確実かつ報酬に遅れのある環境下での強化学習

    研究課題/領域番号:06680345  1994年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(C)

    山村 雅幸, 小林 重信

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    配分額:1300000円 ( 直接経費:1300000円 )

    1)経験強化型学習の合理性についての理論的考察
    経験強化型学習の挙動の合理性を調べることを目的に,本研究ではprofit sharingと呼ばれる強化学習を解析の対象に選んだ.profit sharingでは報酬を得るまでのステップ数と報酬の分配率を対応づける関数を強化関数と呼んでいる.本研究ではこの強化関数について,報酬を得る上で無駄なルールは強化すべきではないという局所的な合理性および必ずいくらかの報酬を続けて得るという大局的な合理性を満足するための必要十分条件を導いた.
    2)環境同定を指向した行動決定戦略:k確実探査法とその拡張
    環境同定を極端に重視した方法としてk確実探査法を提案した.k確実探査法ではある状態である行動をとったときに別の状態に遷移する状態遷移確率の推定値と報酬の期待値に関する統計情報を保持し,不確実性の高い部分に焦点を合わせて行動を決定する.有意な統計情報が得られた後,policy iterationアルゴリズムを適用することにより,最適政策を容易に求めることができる.
    3)不完全知覚下での学習
    感覚器が不完全であると,異なる環境を区別できず,学習エージェントにとっては非マルコフ的に見えるとき,知覚騙し(perceptual aliasing)があるという.本研究では予測モデルを日和見的に構築しつつ,profit sharingによって経験を選択的に強化することにより,報酬獲得につながる部分について予測モデルを精緻化する方法を提案している.本方法はつねに正しい予測モデルを構築することを保証するものではないが,極めて高い頻度で正しい予測モデルを構築できることを実験により確認している.

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  • 遺伝的進化に基づく発見的探索と機械学習

    研究課題/領域番号:05452356  1993年 - 1994年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(B)

    小林 重信, 山村 雅幸

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    配分額:5600000円 ( 直接経費:5600000円 )

    (1)進化型計算に関する研究成果
    1)遺伝的アルゴリズムにおける交叉の役割の解析
    交叉オペレータが探索に果たす役割を理論的に解析し、騙し境界定理を導いた。
    2)コード化・交叉の評価基範の提案
    モデル化の評価基範として完備性・健全性・非冗長性・形質遺伝性を提案した。
    3)形質遺伝を重視したサブツアー交換交叉の提案とその応用
    順序づけ問題を対象に形質遺伝性に優れたサブツアー交換交叉を提案した。
    4)遺伝的アルゴリズムによる多目的最適化
    多目的最適化問題の合理解であるパレート最適集合をGAで求める方法を確立した。
    (2)適応学習に関する研究成果
    1)強化学習の枠組みおよびカテゴリーの明確化
    強化学習の枠組みを明確化し、環境のクラスと接近の指向性による分類を行った。
    2)経験強化型学習の合理性についての理論的考察
    profit sharingにおける強化関数の合理性に関して理論的な解析を行った。
    3)環境同定を指向した行動決定戦略:k確実探査法とその拡張
    未知のマルコフ環境を効率よく同定する行動決定戦略としてk-確実法を提案した
    4)期待報酬の山登りによる強化学習
    期待報酬の勾配を手がかりに逐次的に山登りを行う強化学習法を提案した。
    5)不完全知覚下での学習
    感覚器の不完全さによる知覚騙しに対し状態遷移を予測するモデルを開発した。

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  • 統合的学習による不完全領域理論の遂次的洗練化

    研究課題/領域番号:04229202  1992年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  重点領域研究

    小林 重信, 山村 雅幸

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    配分額:2000000円 ( 直接経費:2000000円 )

    (1)不完全領域理論下での学習
    EBLにおける不完全領域理論問題について,領域理論中の複数概念の相互作用に着目した遂次洗練化の手法を提案した.領域知識中の複数概念間に相互従属関係が存在するとき,複数概念をまとめた中間概念を作成することにより矛盾を除外することによって,洗練化において学習効率の高い方法を構築し,実験によりそのことを確認した.
    (2)遺伝的アルゴリズムの理論
    遺伝的アルゴリズム(GA)の挙動はマルコフ的であり,突然変異を持たないSimpleGAは吸収的である.交叉が可能な最小構成の2bit-2個体問題をマルコフ過程として,定式化,解析することにより,最適解の吸収確率を導き,交叉が有効に機能する問題のクラスの境界を与えるだまし境界定理を導いた.本定理はGAの探索手法としての存在意義を証明するものである.
    (3)遺伝的アルゴリズムによるスケジューリング問題の解法
    GAのスケジューリング問題への応用はもっとも期待されている問題領域であり,本研究では巡回セールスマン問題,看護婦勤務スケジューリング問題およびジョブショップスケジューリング問題を対象に,コード化および交叉に工夫を加えた新しい解法を提案し,その有用性を確認した
    (4)報酬に遅れのある強化学習
    報酬に遅れのある強化学習について,profit sharing法と呼ばれる重み割り当ての最適性について理論的に検討した.profit sharingにおける学習がもっとも困難な構造に対して最適性の必要な十分条件を導いた.本研究の成果は,従来,場当り的に設定されてきた信用割当てに対し理論的な基礎を与えるものである.

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  • 統合的学習による不完全領域理論の逐次的洗練化

    研究課題/領域番号:05213202  1991年 - 1993年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  重点領域研究

    小林 重信, 山村 雅幸

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    配分額:1300000円 ( 直接経費:1300000円 )

    当該年度の研究成果はつぎのように要約される.
    (1)遺伝的アルゴリズムによる組み合わせ的最適化
    遺伝的アルゴリズムが潜在的にもつバランスの取れた探索能力を引き出すためには,コード化と交叉の設計が重要であるとの立場から,巡回セールスマン問題やスケジューリング問題などの順序づけ問題に対し汎用的に使える交叉方法として部分順序交換交叉を提案した.Fisher & Thompsonの10×10問題に適用し,非常に高い確率で最適解が導けることを示した.
    また,ポートフォリオ選択問題を対象に遺伝的アルゴリズムによるモデル化を試みて,2次計画法で得られる厳密解に十分近い近似解を導けることを示した.さらに,有効フロンティアを効率よく求める方法を提案した.
    (2)強化学習のモデルについて
    強化学習のモデルは環境同定型と経験強化型の2つに類別される.状態変数が離散的で状態遷移がマルコフ的な場合について,profit sharingと呼ばれる経験強化型学習における強化関数の最適性を理論的に解析した.また環境同定型学習法としてk確実探査法と呼ぶ新しい方式を提案し,その有効性を明らかにした.
    また,状態空間が連続で状態遷移がマルコフ的な場合について,割引き勾配法と呼ぶ学習アルゴリズムを提案し,いくつかの実験により,Q-learningに比べて効率的かつ安定な挙動を示すことを確認した.

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  • 統合的学習による不完全領域理論の逐次的洗練化

    研究課題/領域番号:03245204  1991年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  重点領域研究

    小林 重信, 山村 雅幸

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    配分額:2500000円 ( 直接経費:2500000円 )

    不完全領域理論問題の副問題は,不完備・制御不能・矛盾・非操作的の4つの問題に分類される.
    本年度は,つぎの非操作的・矛盾・制御不能の3つの副問題に対して接近を試み,つぎのような研究成果を得た.
    1)非操作的問題への接近
    非操作性問題とは,完備,制御可能,かつ無矛盾な領域理論の下で,非操作的な領域理論を操作的なものに洗練化する問題をいう.複数例題下に拡張した拡張EBLを提案し,操作性規範として,利用度最大化および後戻り最小化の基準を導入し,最小EBGの関係を調べ,最小EBGに基づく学習器を実装し,再帰的な領域理論をもつ問題に適用して,その有用性を実証した.
    2)共通説明構造のトップダウン探索による矛盾問題への接近
    負例であるにもかかわらず,目標概念の具体例であると証明してしまうとき,領域理論は矛盾しているという.複数の説明構造からつくられる共通説明構造の汎化階層を作成し,汎化階層をトップダウン的に探索することにより,負例を排除する適切なマクロを獲得する方法を提案した.学習器はProlog上に実装されており,妥当な動作を示すことを確認した.
    3)メタ領域理論を利用した制御不能問題への接近
    説明構造の構築が,理論上可能であるが,計算資源の制約から,実際上不可能なとき,制御不能という.本研究では,制御不能問題に対し,メタ領域理論を用いる新しい接近法を提案した.8パズルを例題に,直列分解可能性を利用したusefulーopを定義し,複数例題から,Korfの問題解決マクロテ-ブルを獲得できることを示した.

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  • 拡張EBLによる演繹的学習と帰納的学習の融合

    研究課題/領域番号:02452157  1990年 - 1991年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  一般研究(B)

    小林 重信, 山村 雅幸

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    配分額:5600000円 ( 直接経費:5600000円 )

    本研究は、不完全な領域理論の下で、妥当かつ有用なマクロル-ルを獲得する方法論を確立することを目的に設定した.そのために,
    1)従来のEBLの枠組みを複数例題下に拡張すること,
    2)EBLとSBLを融合した統合的学習モデルを構築すること,
    3)プロトタイプの学習システムを実装し,例題への適用通じて提案した方法論の有用性を確認すること,
    を具体的な目標に設定,つぎのような研究成果を得た.
    1)拡張EBLに基づく統合的枠組みの提案
    従来のEBLを論理プログラムの枠組みのもとで,複数例題下に拡張した拡張EBLを提案し,操作性規範として,利用度最大化および後戻り最小化の基準を導入し,最小EBGの関係を調べ,最小EBGは,複数例題からつくられる共通説明構造の汎化空間において,操作性規範を満たす有用な概念であることを明らかにした.
    2)共通説明構造を利用した矛盾問題への接近
    複数の説明構造からつくられる共通説明構造の汎化階層を作成し,汎化階層をトップダウン的に探索することにより,負例を排除する適切なマクロを獲得する方法を提案した.この方法は,すべての負例を排除するもっとも一般的なマクロを見出すことができる.
    3)メタ領域理論を利用した制御不能問題への接近
    説明構造の構築が計算資源の制約から事実上不可能な制御不能問題に対し,メタ領域理論を導入した接近法を提案した.すなわち,ル-ルの選択を正当化するメタ理論として,usefulーop/4を導入した.これは,従来方法の自然な拡張であり,文脈情報の付加により,さまざまなメタ領域理論を表現することができることを示した.

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  • 自律分散システムにおける問題解決と学習に関する人工知能的接近

    研究課題/領域番号:02248208  1990年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  重点領域研究

    小林 重信, 山村 雅幸, 中村 清彦

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    配分額:2600000円 ( 直接経費:2600000円 )

    当該年度は,自律分散システムにおける問題解決と学習の基盤となる要素技術について,特に,学習モデル及び協調モデルに重点をおいて,研究を展開した.得られた研究実績の概要は以下のとおりである.
    (1)演繹的学習モデル(EBL)と帰納的学習モデル(SBL)の融合モデルとしての拡張EBL
    EBLは知的エ-ジェントが例題からの汎化に基づいて自分がもつ領域知識を短練化することを可能とする知識主導型学習の枠組みであるが,領域知識が完全であること及び操作性規範と呼ばれるマクロ-ル生成のための強いバイアスを必要とする点において適用の範囲がこれまで限定されていた.本研究では,従来のEBLを複数例題下に拡張した拡張EBLを提案した.拡張EBLは論理プログラム上に形式化され,複数例題上の汎化からなる空間と操作性規範の関係について理論的に考察した.拡張EBLは,EBLとSBL(類似性に基づく学習)の自然な融合を与える枠組みになっている.
    (2)動的環境下でのエ-ジェント間の協調モデルについて
    複数のエ-ジェントが役割を分担して問題解決を行う協調型問題解決システムでは,エ-ジェント間の協調の形態と協調を制御するための手段を確立することが必要である.本研究では,動的プランニング問題を対象として,垂直協調モデルと水平協調モデルの2つについて,解の最適性および協調のためのコストの観点から定性的な考察を行い,シミュレ-ションによってモデルの特性を明らかにした.さらに,自律分散システムとして自然な枠組みである水平協調モデルについては,環境の変化の程度に応じてエ-ジェントの間の協調を制御するためのパラメ-タを同定し,制御パラメ-タとシステムの特性の関係を明らかにした.
    以上を要するに,当該年度の研究は,自律分散システムにおいて重要な概念である“エ-ジェントの学習"と“エ-ジェント間の協調協調"について有用なモデルを提案したものであり,当初の目的を達成したといえる.

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  • DNA computing with plasmid

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    資金種別:競争的資金

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  • 進化型計算の理論

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    資金種別:競争的資金

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  • プラスミドによるDNA計算

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    資金種別:競争的資金

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  • A Theoretic Analysis on Evolutionary Computation

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    資金種別:競争的資金

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