Neuroscienze e robotica: problemi di epistemologia e di...

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Neuroscienze e robotica: problemi di epistemologia e di metodo scientifico Edoardo Datteri Università degli Studi di Milano-Bicocca

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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 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)

La biorobotica: comprendere costruendo

RoboLobster Cricket robot

Robot locustaAnthroform armSahabot

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.

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’aragostaLa chemotassi dell’aragosta

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

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

2.5 cm/s 10 cm/s

BA

� Variabilità negli “spari” del neurone LGMD

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)

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 investigatethe operation of neural systems in behaving animals” (Nicolelis 2003:417).

Macro-classi di esperimenti

� Acquisizione

� Manipolazioneacquisizione e

analisi

manipolazione

Macro-classi di esperimenti

� Acquisizione

� Manipolazione

� Simulazione

XX

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

Allestimento sperimentale

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

Il sistema bionico

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)

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, …)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

Questione di metodo scientifico

� Le macchine (robot, calcolatori, sistemi bionici) possono costituire strumenti di controllo sperimentale di teorie sul comportamento sperimentale di teorie sul comportamento adattativo e intelligente dei sistemi viventi?