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Neuroscienze e robotica: problemi di
epistemologia e di metodo scientifico
Edoardo Datteri
Università degli Studi di Milano-Bicocca
Panoramica
Ambizioni scientifichedell’IA e della
robotica
Questioni di metodo Questioni di metodo scientifico
(filosofia della scienza)
Questioni di etica applicata
Ambizioni dell’IA e della robotica odierna
� Ambizione scientifica: costruzione di sistemi artificiali come modelli (simulazioni) del comportamento intelligente di sistemi viventi
� Presupposti metodologici:
� Costruzione di un sistema sulla base di teorie, principi, modelli teorici mutuati dalla biologia, dalle neuroscienze, dalla psicologia, dai modelli della razionalità, …
� Confronti sperimentali tra le prestazioni di quel sistema e le prestazioni dei sistemi viventi in esame…
� … da cui si traggono conclusioni teoriche a proposito di questi ultimi
Nulla di nuovo, per ora
Macchine e studio dei sistemi viventi
� nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne
� nella bionica (interfacce cervello-macchina)
� nell’intelligenza artificiale “classica” (Newell, Simon, Minsky, …)Minsky, …)
� nella cibernetica…
� … e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
Nulla di nuovo, per ora
Macchine e studio dei sistemi viventi
� nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne
� nella bionica (interfacce cervello-macchina)
� nell’intelligenza artificiale “classica” (Newell, Simon, Minsky, …)Minsky, …)
� nella cibernetica…
� … e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
Simulazioni (robotiche)
� “le simulazioni sono un nuovo strumento che si è aggiunto agli strumenti tradizionali con cui la scienza cerca di conoscere e capire la realtà” (Parisi 2001)
� Le simulazioni robotiche permettono di “approfondire la comprensione di sistemi naturali costruendo robot che comprensione di sistemi naturali costruendo robot che replichino alcuni aspetti del loro sistema sensoriale e nervoso e del loro comportamento” (Lambrinos et al 2000)
� Le simulazioni robotiche assistono il “processo di scopertadi nuovi schemi comportamentali nel sistema modellato” (Schank et al 2004)
Progetti di ricerca finanziati
� NEUROBOTICS - The fusion of Neuroscience and Robotics (FP6-IST)
� MirrorBot: Biomimetic multimodal � MirrorBot: Biomimetic multimodal learning in a mirror neuron-based robot (FP6-IST-FET)
� Vari progetti EPSCR (Edinburgo, Dr. Barbara Webb)
� Giappone: 1997, progetto “Creating the Brain”, Council of Science and Technology; Brain Science Institute, RIKEN
� Studio del comportamento degli insetti
� Modelli “a comportamenti” implementati su robot
Robotica e neuroetologia
Arkin, R. (2000). "Behavioral models of the praying mantis as a basis for robotic behavior." Robotics and Autonomous Systems, 32(1), 39-60.
Reazione a stimoli concorrenti
avvicinamento alla preda in movimento (scatola arancione)
Un predatore entra nel campo visivo: il robot si ferma
Il predatore esce dal campo visivo: il robot si muove
Un caso di falsificazione bioroboticaRoboLobster acqua + sorgente
chimica
Grasso, F.W., Consi, T.R., Mountain, D.C., Atema, J. (2000), "Biomimetic robot lobster performs chemo-orientation in turbulence using a pair of spatially separated sensors: Progress and challenges", Robotics and Autonomous Systems, Vol. 30, pp. 115-131.
RoboLobster
Due algoritmi a retroazione negativa:
Algoritmo 1:
� Sterza quando il gradiente di concentrazione eccede una soglia prefissata
Algoritmo 2:
� Ulteriore regola: inverti la marcia se il gradiente di concentrazione scende sotto una soglia prefissata
OK
Distanza tra il punto di partenza e la sorgente
chimica:
destinazione partenza
60 cm
Falsificazione:
chemotassi delle aragoste
OK
no 60 cm 100 cm100 cm
Spiegazioni alternative
� Perchè RoboLobster non è riuscito a raggiungere la
sorgente chimica da una distanza di 100 cm?
no� A causa dell’orientazione iniziale?
� A causa della distanza tra i sensori? no
no
Conclusione
Il gradiente di concentrazione non fornisce informazioni sufficienti per
guidare il comportamento dell’aragosta
Il comportamento dell’aragosta non può essere spiegato tramite uno schema a
retroazione negativa
Esperimenti robotici
� Robot a comportamenti
� Sistema di visione che fornisce l’ingresso alla rete neurale LGMD, la cui uscita genera comandi di rotazione
Risultati
2.5 cm/s 10 cm/s
BA
� L’efficacia dell’algoritmo dipende dalla velocità� In B l’algoritmo di controllo è stato modificato: il robot ruota sulla base di un singolo sparo
Risultati sperimentali
� Variabilità negli “spari” del neurone, con conseguente inefficacia della risposta di fuga
� attribuito all’inefficienza dell’algoritmo di visione
attribuito alle caratteristiche dell’implementazione
� Dipendenza dell’efficienza della fuga dalla velocità di movimento
� assenza di un meccanismo di regolazione che regoli il comportamento del robot sulla base della velocità
attribuito alle caratteristiche dell’ipotesi biologica
Understanding the brain by creating the
brain (Mitsuo Kawato)
� the only possible methodology to fully understand how the brain works is to build or reconstruct artificial systems that can realize artificial systems that can realize brain functions. We call this approach “Understanding the Brain by Creating the Brain”
� Humanoid Robots as a Neuroscience Tool
Nulla di nuovo, per ora
Macchine e studio dei sistemi viventi
� nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne
� nella bionica (interfacce cervello-macchina)
� nell’intelligenza artificiale “classica” (Newell, Simon, Minsky, …)Minsky, …)
� nella cibernetica…
� … e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
Bionica e scoperta scientifica
� “the general strategy … of using brain-derived signals to control external devices may provide a unique new tool for investigating information processing within particular brain regions” (Chapin 1999:669).
� Brain-machine interfaces “can become the core of a new experimental approach with which to investigatethe operation of neural systems in behaving animals” (Nicolelis 2003:417).
Esperimenti simulativi in bionica: la
lampreda
� Studio sui meccanismi di stabilizzazione della postura (modulata da stimoli visivi e vestibolari) durante la navigazione
Richieste esplicative
“We wanted to understand:
(1) What signals are coming from the vestibular sensory organs when the orientation of the animal in the gravity field is changing;
(2) How this information is processed in the (2) How this information is processed in the brainstem and what commands the brainstem sends to the spinal cord;
(3) How the spinal motor mechanisms respond to commands coming from the brain, and what motor pattern is used for correcting the body orientation.”
(Orlovsky et al 1992:479)
Scomposizione funzionale
nuclei vestibolari
tronco encefalico(neuroni reticolari)
midollo spinale
elaborazione sensoriale
comando motorio
attivazioneorganimotori
(1) What signals are coming from the vestibular sensory organs when the orientation of the animal in the gravity field is changing;
(2) How this information is processed in the brainstem and what commands the brainstem sends to the spinal cord;
(3) How the spinal motor mechanisms respond to commands coming from the brain, and what motor pattern is used for correcting the body orientation.”
motori
Esperimenti bionici e modelli
funzionali della lampreda
� Scopo degli esperimenti bionici realizzati
• Studio del ruolo funzionale di parti del sistema nell’ambito del nuclei
tronco encefalico(neuroni midollo ?sistema nell’ambito del
comportamento in esame
• Studio dell’organizzazione interna dei moduli funzionali
nuclei vestibolari
(neuroni reticolari)
midollo spinale
elaborazione
sensoriale
comando
motorio?elaborazione sensoriale
Esperimento I
lampreda � lampreda bionica
elaborazione
sensoriale
comando
motorio
attivazione
organi
motori
nuclei vestibolari
tronco encefalico(neuroni reticolari)
midollo spinale
elaborazione
sensoriale
comando
motorio
attivazione
organi
motori
-Studio del ruolo funzionale dell’area reticolo-spinale
tronco encefalico(neuroni reticolari)
Zelenin et al. 2000
Risultati e conclusioni teoriche
� The main result of the present study was that … the system was able to stabilize the normal body orientation
� Taken together, these results provide a strong support to the initial idea … that the interaction of the two descending [motor] commands (their subtraction) occurs in the output
elaborazione
sensoriale
comando
motorio
attivazione
organi
motori
nuclei vestibolari
tronco encefalico(neuroni reticolari)
midollo spinale
[motor] commands (their subtraction) occurs in the output stage of the system.
(Zelenin et al 2000: 2886)
Esperimento II
robot � lampreda bionica
elaborazione
sensoriale
comando
motorio
attivazione
organi
motori
elaborazione
sensoriale
comando
motorio
attivazione
organi
motori
nuclei vestibolari (nOMI-nOMP)
neuroni reticolari (PRRN)
Reger et al. 2000, Karniel et al. 2005
Allestimento
sperimentale
� Luci lungo la parete dell’arena
� All’accensione delle luci il robot reagisce luci il robot reagisce muovendosi
� Traiettoria del robot monitorata dall’alto
� Esperimenti: far “girare” il sistema bionico e valutare la capacità del sistema di stabilizzarsi (fototassi positiva o negativa) Karniel et al. 2005
Risultati: fototassi positiva e negativa
� “we were able to observe both positive and negative phototaxis, as well as intermediate behaviors” (Reger et al. 2000)
positiva negativapositiva negativaX
X
X
X
Conclusioni teoriche
� Il circuito vestibolo – reticolospinale produce segnali di correzione motoria nel meccanismo bionico di fototassi
� Funzione simile nel sistema biologico originario? Tener conto di alcune ipotesi di sfondo, tra cui:
gli stimoli applicati ai neuroni vestibolari hanno le stesse � gli stimoli applicati ai neuroni vestibolari hanno le stesse caratteristiche di quelli che l’animale riceve dai vestiboli
� gli altri moduli funzionali del sistema artificiale sono “implementati” anche nel sistema biologico
Nulla di nuovo, per ora
Macchine e studio dei sistemi viventi
� nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne
� nella bionica (interfacce cervello-macchina)
� nell’intelligenza artificiale “classica” (Newell, Simon, Minsky, …)Minsky, …)
� nella cibernetica…
� … e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
Nulla di nuovo, per ora
Macchine e studio dei sistemi viventi
� nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne
� nella bionica (interfacce cervello-macchina)
� nell’intelligenza artificiale “classica” (Newell, Simon, Minsky, …)Minsky, …)
� nella cibernetica…
� … e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
Cibernetica e pre-cibernetica
La “tartaruga” di Grey Walter
I veicoli di Braitenberg
Roberto Cordeschi, The Discovery of the Artificial. Behavior, Mind and Machines Before and Beyond
Cybernetics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht(2002)
Pre-cibernetica: macchine fototropiche
Loeb (1900): spiegazione del Loeb (1900): spiegazione del comportamento fototropico delle falene
Hammond and Meissner, 1912