datteri_poli - parte 1 [modalità compatibilità]

Neuroscienze e robotica: problemi di
epistemologia e di metodo scientifico
Edoardo Datteri
Università degli Studi di Milano-Bicocca
Filosofia della scienza
(Redhead 1980)
Panoramica
Ambizioni
scientifiche
dell’IA e della
robotica
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, …)
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, …)
nella cibernetica…
… e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
La biorobotica: comprendere costruendo
Sahabot
Robot locusta
Anthroform arm
RoboLobster
Cricket robot
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
replichino alcuni aspetti del loro sistema sensoriale e nervoso
e del loro comportamento” (Lambrinos et al 2000)
Le simulazioni robotiche assistono il “processo di scoperta
di 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
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
Robotica e neuroetologia
Studio del comportamento degli insetti
Modelli “a comportamenti” implementati su robot
Arkin, R. (2000). "Behavioral models of the praying mantis as a basis for robotic
behavior." Robotics and Autonomous Systems, 32(1), 39-60.
Modello “a comportamenti” della mantide
religiosa
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
Confronti sperimentali tra robot e sistema
biologico
Le antenne dell’aragosta
La chemotassi dell’aragosta
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
Un caso di falsificazione biorobotica
acqua + sorgente
chimica
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
Falsificazione:
chemotassi delle aragoste
destinazione
partenza
60 cm
Distanza tra il punto di
partenza e la sorgente
chimica:
OK
100 cm
no
60 cm
100 cm
Spiegazioni alternative
Perchè RoboLobster non è riuscito a raggiungere la
sorgente chimica da una distanza di 100 cm?
A causa dell’orientazione iniziale?
no
A causa della distanza tra i sensori?
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
L’occhio della locusta
Il Lobula Giant Movement Detector (LGMD)
Rilevamento di oggetti in
avvicinamento
Esperimenti robotici
Robot a comportamenti
Sistema di visione che fornisce l’ingresso alla rete neurale LGMD, la cui
uscita genera comandi di rotazione
Risultati
10 cm/s
2.5 cm/s
A
Variabilità negli “spari” del neurone LGMD
B
Risultati
2.5 cm/s
10 cm/s
A
B
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
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, …)
nella cibernetica…
… e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
Esperimenti bionici
X
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 investigate
the operation of neural systems in behaving animals”
(Nicolelis 2003:417).
Macro-classi di esperimenti
Acquisizione
Manipolazione
acquisizione e
analisi
manipolazione
Macro-classi di esperimenti
Acquisizione
Manipolazione
Simulazione
X
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
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
elaborazione
sensoriale
tronco
encefalico
(neuroni
reticolari)
comando
motorio
midollo
spinale
attivazione
organi
motori
(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.”
Esperimenti bionici e modelli
funzionali della lampreda
Scopo degli esperimenti bionici
realizzati
•
•
Studio del ruolo funzionale di parti del
sistema nell’ambito del
comportamento in esame
Studio dell’organizzazione interna dei
moduli funzionali
nuclei
vestibolari
?
elaborazione
sensoriale
tronco
encefalico
(neuroni
reticolari)
comando
motorio
elaborazione sensoriale
midollo
spinale
Esperimento I
lampreda lampreda bionica
nuclei
vestibolari
elaborazione
sensoriale
tronco
encefalico
(neuroni
reticolari)
comando
motorio
midollo
spinale
attivazione
organi
motori
-Studio del ruolo funzionale dell’area reticolo-spinale
elaborazione
sensoriale
tronco
encefalico
(neuroni
reticolari)
comando
motorio
attivazione
organi
motori
Zelenin et al. 2000
Allestimento sperimentale
Zelenin et al. 2000
neuroni reticolari
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
stage of the system.
(Zelenin et al 2000: 2886)
nuclei
vestibolari
elaborazione
sensoriale
tronco
encefalico
(neuroni
reticolari)
comando
motorio
midollo
spinale
attivazione
organi
motori
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
Il sistema bionico
Karniel et al. 2005
Allestimento
sperimentale
Luci lungo la parete
dell’arena
All’accensione delle
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
negativa
X
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
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, …)
nella cibernetica…
… e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)
IA e studio dei processi mentali umani
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, …)
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
comportamento fototropico delle falene
Hammond and Meissner, 1912
Questione di metodo scientifico
Le macchine (robot, calcolatori, sistemi bionici)
possono costituire strumenti di controllo
sperimentale di teorie sul comportamento
adattativo e intelligente dei sistemi viventi?