Intrinsic Motivation and Mental Replay enable Efficient Online Adaptation in Stochastic Recurrent Networks

Autonomous robots need to interact with unknown, unstructured and changing environments, constantly facing novel challenges. Therefore, continuous online adaptation for lifelong-learning and the need of sample-efficient mechanisms to adapt to changes in the environment, the constraints, the tasks, or the robot itself are crucial. In this work, we propose a novel framework for probabilistic online motion planning with online adaptation based on a bio-inspired stochastic recurrent neural network. By using learning signals which mimic the intrinsic motivation signalcognitive dissonance in addition with a mental replay strategy to intensify experiences, the stochastic recurrent network can learn from few physical interactions and adapts to novel environments in seconds. We evaluate our online planning and adaptation framework on an anthropomorphic KUKA LWR arm. The rapid online adaptation is shown by learning unknown workspace constraints sample-efficiently from few physical interactions while following given way points.Comment: accepted in Neural Network

Born to learn: The inspiration, progress, and future of evolved plastic artificial neural networks

Biological plastic neural networks are systems of extraordinary computational capabilities shaped by evolution, development, and lifetime learning. The interplay of these elements leads to the emergence of adaptive behavior and intelligence. Inspired by such intricate natural phenomena, Evolved Plastic Artificial Neural Networks (EPANNs) use simulated evolution in-silico to breed plastic neural networks with a large variety of dynamics, architectures, and plasticity rules: these artificial systems are composed of inputs, outputs, and plastic components that change in response to experiences in an environment. These systems may autonomously discover novel adaptive algorithms, and lead to hypotheses on the emergence of biological adaptation. EPANNs have seen considerable progress over the last two decades. Current scientific and technological advances in artificial neural networks are now setting the conditions for radically new approaches and results. In particular, the limitations of hand-designed networks could be overcome by more flexible and innovative solutions. This paper brings together a variety of inspiring ideas that define the field of EPANNs. The main methods and results are reviewed. Finally, new opportunities and developments are presented

Fast and robust learning by reinforcement signals: explorations in the insect brain

We propose a model for pattern recognition in the insect brain. Departing from a well-known body of knowledge about the insect brain, we investigate which of the potentially present features may be useful to learn input patterns rapidly and in a stable manner. The plasticity underlying pattern recognition is situated in the insect mushroom bodies and requires an error signal to associate the stimulus with a proper response. As a proof of concept, we used our model insect brain to classify the well-known MNIST database of handwritten digits, a popular benchmark for classifiers. We show that the structural organization of the insect brain appears to be suitable for both fast learning of new stimuli and reasonable performance in stationary conditions. Furthermore, it is extremely robust to damage to the brain structures involved in sensory processing. Finally, we suggest that spatiotemporal dynamics can improve the level of confidence in a classification decision. The proposed approach allows testing the effect of hypothesized mechanisms rather than speculating on their benefit for system performance or confidence in its responses

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

A neuromorphic model of olfactory processing and sparse coding in the Drosophila larva brain

Animal nervous systems are highly efficient in processing sensory input. The neuromorphic computing paradigm aims at the hardware implementation of neural network computations to support novel solutions for building brain-inspired computing systems. Here, we take inspiration from sensory processing in the nervous system of the fruit fly larva. With its strongly limited computational resources of <200 neurons and <1.000 synapses the larval olfactory pathway employs fundamental computations to transform broadly tuned receptor input at the periphery into an energy efficient sparse code in the central brain. We show how this approach allows us to achieve sparse coding and increased separability of stimulus patterns in a spiking neural network, validated with both software simulation and hardware emulation on mixed-signal real-time neuromorphic hardware. We verify that feedback inhibition is the central motif to support sparseness in the spatial domain, across the neuron population, while the combination of spike frequency adaptation and feedback inhibition determines sparseness in the temporal domain. Our experiments demonstrate that such small, biologically realistic neural networks, efficiently implemented on neuromorphic hardware, can achieve parallel processing and efficient encoding of sensory input at full temporal resolution

HyperSNN: A new efficient and robust deep learning model for resource constrained control applications

In light of the increasing adoption of edge computing in areas such as intelligent furniture, robotics, and smart homes, this paper introduces HyperSNN, an innovative method for control tasks that uses spiking neural networks (SNNs) in combination with hyperdimensional computing. HyperSNN substitutes expensive 32-bit floating point multiplications with 8-bit integer additions, resulting in reduced energy consumption while enhancing robustness and potentially improving accuracy. Our model was tested on AI Gym benchmarks, including Cartpole, Acrobot, MountainCar, and Lunar Lander. HyperSNN achieves control accuracies that are on par with conventional machine learning methods but with only 1.36% to 9.96% of the energy expenditure. Furthermore, our experiments showed increased robustness when using HyperSNN. We believe that HyperSNN is especially suitable for interactive, mobile, and wearable devices, promoting energy-efficient and robust system design. Furthermore, it paves the way for the practical implementation of complex algorithms like model predictive control (MPC) in real-world industrial scenarios

Algorithm and Hardware Co-design for Learning On-a-chip

abstract: Machine learning technology has made a lot of incredible achievements in recent years. It has rivalled or exceeded human performance in many intellectual tasks including image recognition, face detection and the Go game. Many machine learning algorithms require huge amount of computation such as in multiplication of large matrices. As silicon technology has scaled to sub-14nm regime, simply scaling down the device cannot provide enough speed-up any more. New device technologies and system architectures are needed to improve the computing capacity. Designing specific hardware for machine learning is highly in demand. Efforts need to be made on a joint design and optimization of both hardware and algorithm. For machine learning acceleration, traditional SRAM and DRAM based system suffer from low capacity, high latency, and high standby power. Instead, emerging memories, such as Phase Change Random Access Memory (PRAM), Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (STT-MRAM), and Resistive Random Access Memory (RRAM), are promising candidates providing low standby power, high data density, fast access and excellent scalability. This dissertation proposes a hierarchical memory modeling framework and models PRAM and STT-MRAM in four different levels of abstraction. With the proposed models, various simulations are conducted to investigate the performance, optimization, variability, reliability, and scalability. Emerging memory devices such as RRAM can work as a 2-D crosspoint array to speed up the multiplication and accumulation in machine learning algorithms. This dissertation proposes a new parallel programming scheme to achieve in-memory learning with RRAM crosspoint array. The programming circuitry is designed and simulated in TSMC 65nm technology showing 900X speedup for the dictionary learning task compared to the CPU performance. From the algorithm perspective, inspired by the high accuracy and low power of the brain, this dissertation proposes a bio-plausible feedforward inhibition spiking neural network with Spike-Rate-Dependent-Plasticity (SRDP) learning rule. It achieves more than 95% accuracy on the MNIST dataset, which is comparable to the sparse coding algorithm, but requires far fewer number of computations. The role of inhibition in this network is systematically studied and shown to improve the hardware efficiency in learning.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201