ブロックチェーンにおける機械学習とその応用の概要

機械学習は本質的にデータサイエンスの一分野であり、データ内からモデルを見出すものです。数学的・統計的知識を適用することで、これらのモデルは「トレーニング」と呼ばれるプロセスで洗練されていきます。

多くの人々が機械学習（ML）と人工知能（AI）を、AIが人類に反乱を起こすような映画に描かれる複雑で未来的な技術と関連付けていますが、現在の実態ははるかに初歩的なものです。現在のAIシステムのほとんどは「if-then」プログラミングに依存しており、事前に定義された人間の指示にのみ応答します。しかし、機械学習はさらに一歩進んで、モデルが自己修正し改善することを可能にします。

機械学習のカテゴリー

機械学習は大きく以下の種類に分類されます：

1. 教師あり学習

• トレーニングにラベル付きデータセットを使用

• システムは提供された例に基づいて入力を出力にマッピングすることを学習

• 例：脚の数、翅、触角の構造、体の比率などの特定の特徴を持つラベル付きデータを提供することで、昆虫の中から蝶を識別することを機械に教える

• トレーニング後、機械は新しい昆虫の画像を分析し、学習したモデルに基づいて蝶かどうかを判断できる

2. 教師なし学習

• ラベル付きデータなしで動作し、機械は特徴に基づいてパターンを識別しデータポイントをクラスター化

• 例：蝶の識別において、ラベルは提供されない。機械は独自に翅、脚、体の構造などの主要な特徴を識別して、蝶を他の昆虫と区別する必要がある

• 一般的な教師なし学習モデルには敵対的生成ネットワーク（GAN）やクラスタリングアルゴリズムがある

• 制限事項：教師なしモデルは内部プロセスが開発者に完全に透明ではない「ブラックボックス」と考えられることが多い

一般的な機械学習アルゴリズム

機械学習アルゴリズムには多くの種類があり、それぞれが特定の用途に合わせて調整されています。代表的な例として：

• ニューラルネットワーク

• 決定木

• サポートベクターマシン（SVM）

• ベイズ分類器

• クラスタリング手法

広く使用され、初心者にも親しみやすいアルゴリズムの一つがK-平均クラスタリングで、類似性に基づいてデータポイントをクラスターにグループ化します。

1. K-平均アルゴリズム：シンプルな教師なしクラスタリング手法

K-平均は、シンプルで広く使用されている教師なしクラスタリングアルゴリズムです。クラスタリングの核心的なアイデアは、距離または類似性に基づいてサンプルをグループ化し、類似した（または近い）サンプルを一緒にクラスター化しながら、異なる（または遠い）サンプルを異なるグループに分離することです。K-平均の基本的な概念は、データセットをK個のクラスターに反復的に分割し、各クラスター内のすべての点の二乗誤差和（SSE）を最小化することです。

数学的な言語では、サンプルセットに対して、K-平均はクラスタリングの誤差関数を最小化します。

上の視覚化は概念を効果的に説明しています：青または赤の各点のそれぞれのクラスター中心に対する分散が最小化されています。赤と青のクラスターについて、2つの中心点はこの分割における最小SSEの条件を満たしています。

例：K = 2（サンプルを2つのクラスターに分割）

視覚的に、図Aの緑の点を2つのクラスターに分割したい場合、左上から右下への対角線を引くことができます。しかし、機械にこの分割を正確に実行させるにはどうすればよいでしょうか？手順は以下の通りです：

1. ランダム初期化:

座標系内で2つのランダムな点（例：赤と青）を初期クラスタ中心として選択します。データセット内の各点について、赤点と青点までの距離を計算します。

• 最も近いクラスタ中心に点を割り当てます：青点により近い場合は青色に、赤点により近い場合は赤色に着色します。

• ステップ1に示すように、すべての点に色が割り当てられるまで、すべての点について繰り返します。

2. クラスタ中心の再計算:

各クラスタの中心（クラスタ内のすべての点の平均）を再計算します。ステップ2に示すように、そのクラスタ内のすべての点の平均二乗誤差（MSE）を最小化するようにクラスタ中心を調整します。

3. 収束まで繰り返し:

クラスタ中心が安定し、プロセスが収束するまでステップ1と2を繰り返します。この反復プロセスは、ステップ3-6に示すように完了します。

ブロックチェーンと機械学習

ブロックチェーンには、機械学習と人工知能の発展に適した2つの重要な特性があります：

1. プライバシー：ブロックチェーンは、機密性の高い個人データを侵害することなく学習を可能にします。

2. インセンティブメカニズム：ブロックチェーンの独自の報酬システムにより、ユーザーはデータの共有やモデルのオンチェーン公開で報酬を得ることができます。誰でもプライバシーを維持しながらデータを販売でき、開発者はオンチェーンでモデルを公開・学習し、その見返りとしてインセンティブを受け取ることができます。

参照画像は、テクノロジーにおける標準化と商品化のサイクルを示しています。データ独占の時代は終わりに近づいています。ブロックチェーンのアクセシビリティにより、次のテクノロジー時代により広い参加の機会が生まれています。

機械学習における3つの重要な要素は、アルゴリズム、計算能力、そしてデータです。Amazon、Apple、Google、Facebookなどの技術大手は、計算資源とデータ資源を独占し、大きなリードを維持しています。ブロックチェーンは、機械学習を分散化することでこの支配を崩す機会をもたらします。この変化により、価値創造の焦点をデータ駆動型アプローチからアルゴリズム駆動型イノベーションへと移行させることができます。ブロックチェーンの経済的インセンティブは、開発者がモデルを学習・最適化するための肥沃な環境を提供し、アルゴリズム開発者の成長を促進します。

2.1 プロジェクト概要

機械学習とブロックチェーンの統合は、まだ初期段階ですが有望な分野です。多くの企業がこの分野でツールを開発していますが、その可能性は依然として膨大です。以下に3つの注目すべきプロジェクトを紹介します：

2.1.1 DeepBrain Chain

2017年11月に設立されたDeepBrain Chainは、ブロックチェーンを活用した世界最大の分散型高性能コンピューティングネットワークを構築し、5G+AI時代の重要なインフラストラクチャとなることを目指しています。

• 主要コンポーネント：

1. 高性能コンピューティングネットワーク：2018年8月に立ち上げ。

2. ブロックチェーンメインネット：2021年5月20日に、PolkadotのSubstrateフレームワークをベースに正式にローンチ。

DeepBrain Chainは、高性能コンピューティングで大規模な展開を実現した数少ないブロックチェーンプロジェクトの1つです。ブロックチェーン、AI、クラウドゲーミング、ビジュアルレンダリング、バイオ医薬品、半導体シミュレーションなど、実用性と商業化において大きな進展を遂げています。

世界中の50社以上の企業がそのネットワーク上に高性能GPUクラウドプラットフォームを展開し、数百の企業と数万のAI開発者にサービスを提供しています。

2.1.2 Numerai

Numeraiは、匿名のデータサイエンティストのグローバルコミュニティを活用して将来の価格を予測するヘッジファンドです。分散型インテリジェンス、機械学習、ブロックチェーン、トークン化を組み合わせ、集合知によって駆動される新しいファンド運用モデルを創造しています。

• データ配布：

データサイエンティストは、予測モデルの入力として匿名化されたデータセットを受け取ります。これらのデータセットには、マクロ経済指標、商品価格、為替レートなど、通常は部外者がアクセスできない独自のデータが含まれる可能性があります。メタデータを削除することで、Numeraiはデータを公開して共有することができます。

• コンペティション：

データは、最も効果的な予測モデルを作成するためのコンペティションの基盤となります。既知の結果を持つ過去のデータはモデルの検証に役立ち、重要な予測のためのリアルタイムデータは不確実なままです。

• スコアリングと報酬：

予測は、Numeraiの「メタモデル」にアップロードされた後、スコア化されます。データサイエンティストは、彼らの予測がメタモデルをどれだけ改善したかに基づいて報酬を受け取ります。

• 知的財産：

参加者は自身のモデルの所有権を保持し、そのモデルがNumeraiのメタモデルを向上させ続ける限り、報酬を受け続けることができます。

2.1.3 HUMAN Protocol

HUMAN Protocolは、知識とスキルに基づいて貢献に報酬を与える分散型フレームワークで、ハイブリッドモデルを通じてAIと機械学習を橋渡しします。

ブロックチェーン上に構築されたHUMAN Protocolは、管理と決済プロセスを効率化し、データを求める人々と知識マーケットプレイスを結びつける、監査可能なオープンソースの分散型労働市場インフラストラクチャを創造します。

• 機械学習への応用：

このプロトコルは、手動のアノテーションやモデル推論品質の検証など、機械学習における労働集約的なタスクに直接対応し、データセットをトレーニングにより適したものにします。

• 将来のビジョン：

3.結びの言葉

現在の応用を超えて、HUMAN Protocolは、機械が自己改善のために直接人間にデータを問い合わせる、次世代の機械知能のために設計されています。

機械学習とブロックチェーンは、現在最も刺激的で最先端の技術です。機械学習は人工知能とビッグデータの基盤として機能し、ブロックチェーンは現在の金融アーキテクチャを革新する可能性を秘めています。両技術ともデータ駆動型であり、特定の研究分野において自然な相乗効果を生み出すことができます。

ブロックチェーンは安全で効率的なデータ共有と分析を提供し、機械学習はこのデータを活用して技術革新を推進します。すでに多くの開発者がこの交差点で実現可能なプロジェクトに取り組んでおり、さらに多くのリソースと人材がこれらの分野に投入されています。

これらの技術の共有および補完的な能力は、互いを前進させ続けるでしょう。ブロックチェーンの波に乗り、機械学習の船を操りながら、私たちは未来技術の広大な星空の海を探検する準備が整っています！