A biologically inspired meta-control navigation system for the Psikharpax rat robot

A biologically inspired navigation system for the mobile rat-like robot named Psikharpax is presented, allowing for self-localization and autonomous navigation in an initially unknown environment. The ability of parts of the model (e. g. the strategy selection mechanism) to reproduce rat behavioral data in various maze tasks has been validated before in simulations. But the capacity of the model to work on a real robot platform had not been tested. This paper presents our work on the implementation on the Psikharpax robot of two independent navigation strategies (a place-based planning strategy and a cue-guided taxon strategy) and a strategy selection meta-controller. We show how our robot can memorize which was the optimal strategy in each situation, by means of a reinforcement learning algorithm. Moreover, a context detector enables the controller to quickly adapt to changes in the environment-recognized as new contexts-and to restore previously acquired strategy preferences when a previously experienced context is recognized. This produces adaptivity closer to rat behavioral performance and constitutes a computational proposition of the role of the rat prefrontal cortex in strategy shifting. Moreover, such a brain-inspired meta-controller may provide an advancement for learning architectures in robotics

Evolutionary robotics and neuroscience

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Intelligent Navigation for a Solar Powered Unmanned Underwater Vehicle

In this paper, an intelligent navigation system for an unmanned underwater vehicle powered by renewable energy and designed for shadow water inspection in missions of a long duration is proposed. The system is composed of an underwater vehicle, which tows a surface vehicle. The surface vehicle is a small boat with photovoltaic panels, a methanol fuel cell and communication equipment, which provides energy and communication to the underwater vehicle. The underwater vehicle has sensors to monitor the underwater environment such as sidescan sonar and a video camera in a flexible configuration and sensors to measure the physical and chemical parameters of water quality on predefined paths for long distances. The underwater vehicle implements a biologically inspired neural architecture for autonomous intelligent navigation. Navigation is carried out by integrating a kinematic adaptive neuro‐controller for trajectory tracking and an obstacle avoidance adaptive neuro‐  controller. The autonomous underwater vehicle is capable of operating during long periods of observation and monitoring. This autonomous vehicle is a good tool for observing large areas of sea, since it operates for long periods of time due to the contribution of renewable energy. It correlates all sensor data for time and geodetic position. This vehicle has been used for monitoring the Mar Menor lagoon.Supported by the Coastal Monitoring System for the Mar Menor (CMS‐  463.01.08_CLUSTER) project founded by the Regional Government of Murcia, by the SICUVA project (Control and Navigation System for AUV Oceanographic Monitoring Missions. REF: 15357/PI/10) founded by the Seneca Foundation of Regional Government of Murcia and by the DIVISAMOS project (Design of an Autonomous Underwater Vehicle for Inspections and oceanographic mission‐UPCT: DPI‐ 2009‐14744‐C03‐02) founded by the Spanish Ministry of Science and Innovation from Spain

The implications of embodiment for behavior and cognition: animal and robotic case studies

In this paper, we will argue that if we want to understand the function of the brain (or the control in the case of robots), we must understand how the brain is embedded into the physical system, and how the organism interacts with the real world. While embodiment has often been used in its trivial meaning, i.e. 'intelligence requires a body', the concept has deeper and more important implications, concerned with the relation between physical and information (neural, control) processes. A number of case studies are presented to illustrate the concept. These involve animals and robots and are concentrated around locomotion, grasping, and visual perception. A theoretical scheme that can be used to embed the diverse case studies will be presented. Finally, we will establish a link between the low-level sensory-motor processes and cognition. We will present an embodied view on categorization, and propose the concepts of 'body schema' and 'forward models' as a natural extension of the embodied approach toward first representations.Comment: Book chapter in W. Tschacher & C. Bergomi, ed., 'The Implications of Embodiment: Cognition and Communication', Exeter: Imprint Academic, pp. 31-5

Brain-Inspired Spiking Neural Network Controller for a Neurorobotic Whisker System

It is common for animals to use self-generated movements to actively sense the surrounding environment. For instance, rodents rhythmically move their whiskers to explore the space close to their body. The mouse whisker system has become a standard model for studying active sensing and sensorimotor integration through feedback loops. In this work, we developed a bioinspired spiking neural network model of the sensorimotor peripheral whisker system, modeling trigeminal ganglion, trigeminal nuclei, facial nuclei, and central pattern generator neuronal populations. This network was embedded in a virtual mouse robot, exploiting the Human Brain Project's Neurorobotics Platform, a simulation platform offering a virtual environment to develop and test robots driven by brain-inspired controllers. Eventually, the peripheral whisker system was adequately connected to an adaptive cerebellar network controller. The whole system was able to drive active whisking with learning capability, matching neural correlates of behavior experimentally recorded in mice

A multirobot platform based on autonomous surface and underwater vehicles with bio-inspired neurocontrollers for long-term oil spills monitoring

This paper describes the BUSCAMOS-Oil monitoring system, which is a robotic platform consisting of an autonomous surface vessel combined with an underwater vehicle. The system has been designed for the long-term monitoring of oil spills, including the search for the spill, and transmitting information on its location, extent, direction and speed. Both vehicles are controlled by two different types of bio-inspired neural networks: a Self-Organization Direction Mapping Network for trajectory generation and a Neural Network for Avoidance Behaviour for avoiding obstacles. The systems’ resilient capabilities are provided by bio-inspired algorithms implemented in a modular software architecture and controlled by redundant devices to give the necessary robustness to operate in the difficult conditions typically found in long-term oil-spill operations. The efficacy of the vehicles’ adaptive navigation system and long-term mission capabilities are shown in the experimental results.This work was partially supported by the BUSCAMOS Project (ref. 1003211003700) under the program DN8644 COINCIDENTE of the Spanish Defense Ministry, the “Research Programme for Groups of Scientific Excellence at Region of Murcia” of the Seneca Foundation (Agency for Science and Technology of the Region of Murcia-19895/GERM/15)”, and the Spanish Government’s cDrone (ref. TIN2013-45920-R) and ViSelTR (ref. TIN2012-39279) projects

Embodied neuromorphic intelligence

The design of robots that interact autonomously with the environment and exhibit complex behaviours is an open challenge that can benefit from understanding what makes living beings fit to act in the world. Neuromorphic engineering studies neural computational principles to develop technologies that can provide a computing substrate for building compact and low-power processing systems. We discuss why endowing robots with neuromorphic technologies – from perception to motor control – represents a promising approach for the creation of robots which can seamlessly integrate in society. We present initial attempts in this direction, highlight open challenges, and propose actions required to overcome current limitations

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen