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動作計画arXiv:2608.09876v1

エネルギー構造化潜在世界モデルとニューラル時間場による物理整合的なオープンワールド動作計画

Energy-Structured Latent World Models with Neural Time Fields for Physically Constistent Open-World Motion Planning

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物理法則に整合した動作計画を実現するため、エネルギーと運動量を明示的に保持する潜在世界モデルを提案し、アイコナール方程式に基づく時間場と統合してナビゲーション性能を向上させた。

詳しい要約

1. どんなもの?

本論文は、物理的に一貫したモーション計画を実現するため、Energy-Structured Latent World Model (ELWM) と Physics-Conditioned Neural Time Fields (PC-NTF) を提案する。ELWMは潜在状態にエネルギーと運動量を明示的に組み込み、散逸ポートと制御ポートを介して厳密に因果的な遷移を保証する。PC-NTFはELWMをEikonal方程式に基づく到着時間場に統合し、物理的に情報を得たナビゲーションポリシーを生成する。マルチモーダルなRGB-Dと慣性センサの相互作用履歴で訓練され、未知シーンでの物理的一貫性と安全性を向上させる。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

既存の潜在世界モデルは、未来表現を制約なしに学習し、物理が暗黙的にしか吸収されないため、再利用可能な物理知識を形成できず、予測不能なオープンワールドでの信頼性が低い。本手法は、潜在状態にエネルギーと運動量を明示的に構造化することで、物理的一貫性を保証し、汎用潜在モデルやActive Neural Time Fieldsと比較して、予測誤差の低減、ナビゲーション成功率の向上、衝突率の低減を達成する。

3. 技術・手法の肝は?

手法の核は、ELWMの潜在状態をエネルギーと運動量で構造化し、散逸ポートと制御ポートを介して厳密に因果的な遷移を実現すること。さらに、PC-NTFはELWMをEikonal方程式に統合し、到着時間場を構築して物理的に情報を得たナビゲーションポリシーを生成する。訓練はマルチモーダルなRGB-Dと慣性センサの相互作用履歴を用いて行われる。

4. どうやって有効だと検証した?

未見のシーンでの評価で、汎用潜在モデルと比較して0.8秒のモーション予測NRMSEを0.36から0.29に低減。Active Neural Time Fieldsと比較して、ナビゲーション成功率を81.3%から89.7%に、SPLを0.64から0.73に改善し、物理的衝突率を12.1%から5.8%に、Eikonal残差を0.083から0.031に削減した。

5. 議論はある?

要旨からは、提案手法の限界や潜在的な欠点についての議論は不明。ただし、明示的な物理構造を潜在空間に埋め込むことで、予測世界モデルと安全で動的に実現可能なモーション計画の間のギャップを本質的に橋渡しできると主張している。

6. 次に読むべき論文は?

要旨で参照されているActive Neural Time Fields、および関連する潜在世界モデルやEikonal方程式を用いたナビゲーション手法。具体的には、Active Neural Time Fieldsの原著論文や、潜在世界モデルの一般的な研究(例:Dreamer)が挙げられる。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Yapeng Liu, Yuanzhao Zhai, Bo Ding, Huaimin Wang, Lin Wang

分類: cs.RO, cs.AI

原文アブストラクト

Physically consistent motion planning remains a fundamental challenge in embodied AI, as generated trajectories must strictly conform to real-world execution dynamics. While latent world models offer a promising approach by predicting these dynamics, existing methods learn unconstrained future representations where absorbed physics remains implicit. Therefore, they fail to form reusable physical knowledge, which compromises reliability in unpredictable open-world navigation. To address this, we propose a novel Energy-Structured Latent World Model (ELWM). Our key idea is to structure the ELWM latent state to explicitly carry energy and momentum, ensuring strictly causal transitions via dissipation and control ports. Trained on multimodal RGB-D and inertial interaction histories, our model guarantees physically consistent predictions. We further implement this for motion planning by constructing Physics-Conditioned Neural Time Fields (PC-NTF), a key technical cornerstone that integrates ELWM into an arrival time field via the Eikonal equation to yield a physically-informed navigation policy. Across held-out scenes, our evaluation reveals significant improvements. Compared to generic latent models, PC-NTF reduces 0.8-s motion-prediction NRMSE from 0.36 to 0.29. Against Active Neural Time Fields, it improves navigation success from 81.3% to 89.7% and SPL from 0.64 to 0.73, while cutting the physical collision rate from 12.1% to 5.8% and the Eikonal residual from 0.083 to 0.031. Beyond these targeted gains, our results demonstrate that embedding explicit physical structures into latent spaces intrinsically bridges the gap between predictive world models and safe, dynamically feasible motion planning.