粘菌コンピュータの新しい数理モデルを発見 ~粘菌を模倣した省エネルギー情報処理技術の実装に大きな前進~

2026-06-16 早稲田大学

早稲田大学の研究グループは、単細胞生物である粘菌の分散型情報処理を模倣した「粘菌コンピュータ」の新たな数理モデルを開発した。従来モデルでは、粘菌が体積を一定に保ちながら変形する制約や複雑な条件分岐が存在し、物理デバイスへの実装を困難にしていた。本研究では、組合せ最適化に本質的な計算原理のみを抽出し、体積一定条件を排除するとともに、一様乱数をガウス分布乱数へ変更し、一部のシグモイド関数を階段関数へ置換することでモデルを大幅に簡素化した。その結果、巡回セールスマン問題では従来モデルの約4倍の探索速度を達成し、従来約100都市だった適用規模を約180都市まで拡大した。さらに、このモデルがリカレントニューラルネットワークと等価な計算構造を持つことを示し、粘菌の知的行動とAIの計算原理の共通性を明らかにした。また、スピントロニクス素子による物理実装案も提示し、低消費電力で組合せ最適化を実行する新原理コンピュータ実現への道筋を示した。

粘菌コンピュータの新しい数理モデルを発見 ~粘菌を模倣した省エネルギー情報処理技術の実装に大きな前進~

<関連情報>

アメーバに着想を得た組み合わせ最適化マシンの物理的実装のための数理モデルと、そのリカレントニューラルネットワークとの等価性 Mathematical model of the amoeba-inspired combinatorial optimization machine for physical implementation and its equivalence to recurrent neural networks

Yusuke Miyajima and Masahito Mochizuki
Physical Review Research  Published: 9 June, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/zgvb-cfpg

Abstract

Information-processing algorithms inspired by survival strategies of slime molds have been intensively studied to realize combinatorial optimization machines with high computational efficiency and low power consumption. However, previously proposed mathematical models are not suitable for physical implementation as they involved constraints due to the volume-conservation law of slime molds, multiple conditional branches, and numerous complex functions such as sigmoid functions. Here, we propose a mathematical model, the Amoeba TSP (traveling salesman problem) recurrence formula model, which simplifies the information-processing procedure and enables physical implementation without sacrificing optimization performance. Specifically, we demonstrate using numerical simulations that (1) the conservation-law constraints assumed in previous models can be removed, (2) several sigmoid functions can be eliminated, and (3) Gaussian-distribution random numbers that can be generated from thermal fluctuations can be employed as random fluctuations. These improvements broaden the range of candidate materials and phenomena for physical implementation and reduce the number of device components required. Furthermore, we discover that our mathematical model integrating these modifications is mathematically equivalent to a recurrent neural network with fixed weights that exploits nonlinear dynamics. Remarkably, despite its significant simplification, the proposed model exhibits superior solution-search performance compared with the previous models in terms of solution quality, convergence speed, and scalability. Our results open a practical pathway toward realization of highly efficient and high-performance combinatorial optimization machines based on non-von Neumann-type architectures and provide insights into bioinspired information processing by uncovering a connection between the computational principles of slime molds and recurrent neural networks.

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