Neuromorphic auditory computing: towards a digital, event-based implementation of the hearing sense for robotics

In this work, it is intended to advance on the development of the neuromorphic audio processing systems in robots through the implementation of an open-source neuromorphic cochlea, event-based models of primary auditory nuclei, and their potential use for real-time robotics applications. First, the main gaps when working with neuromorphic cochleae were identified. Among them, the accessibility and usability of such sensors can be considered as a critical aspect. Silicon cochleae could not be as flexible as desired for some applications. However, FPGA-based sensors can be considered as an alternative for fast prototyping and proof-of-concept applications. Therefore, a software tool was implemented for generating open-source, user-configurable Neuromorphic Auditory Sensor models that can be deployed in any FPGA, removing the aforementioned barriers for the neuromorphic research community. Next, the biological principles of the animals' auditory system were studied with the aim of continuing the development of the Neuromorphic Auditory Sensor. More specifically, the principles of binaural hearing were deeply studied for implementing event-based models to perform real-time sound source localization tasks. Two different approaches were followed to extract inter-aural time differences from event-based auditory signals. On the one hand, a digital, event-based design of the Jeffress model was implemented. On the other hand, a novel digital implementation of the Time Difference Encoder model was designed and implemented on FPGA. Finally, three different robotic platforms were used for evaluating the performance of the proposed real-time neuromorphic audio processing architectures. An audio-guided central pattern generator was used to control a hexapod robot in real-time using spiking neural networks on SpiNNaker. Then, a sensory integration application was implemented combining sound source localization and obstacle avoidance for autonomous robots navigation. Lastly, the Neuromorphic Auditory Sensor was integrated within the iCub robotic platform, being the first time that an event-based cochlea is used in a humanoid robot. Then, the conclusions obtained are presented and new features and improvements are proposed for future works.En este trabajo se pretende avanzar en el desarrollo de los sistemas de procesamiento de audio neuromórficos en robots a través de la implementación de una cóclea neuromórfica de código abierto, modelos basados en eventos de los núcleos auditivos primarios, y su potencial uso para aplicaciones de robótica en tiempo real. En primer lugar, se identificaron los principales problemas a la hora de trabajar con cócleas neuromórficas. Entre ellos, la accesibilidad y usabilidad de dichos sensores puede considerarse un aspecto crítico. Los circuitos integrados analógicos que implementan modelos cocleares pueden no pueden ser tan flexibles como se desea para algunas aplicaciones específicas. Sin embargo, los sensores basados en FPGA pueden considerarse una alternativa para el desarrollo rápido y flexible de prototipos y aplicaciones de prueba de concepto. Por lo tanto, en este trabajo se implementó una herramienta de software para generar modelos de sensores auditivos neuromórficos de código abierto y configurables por el usuario, que pueden desplegarse en cualquier FPGA, eliminando las barreras mencionadas para la comunidad de investigación neuromórfica. A continuación, se estudiaron los principios biológicos del sistema auditivo de los animales con el objetivo de continuar con el desarrollo del Sensor Auditivo Neuromórfico (NAS). Más concretamente, se estudiaron en profundidad los principios de la audición binaural con el fin de implementar modelos basados en eventos para realizar tareas de localización de fuentes sonoras en tiempo real. Se siguieron dos enfoques diferentes para extraer las diferencias temporales interaurales de las señales auditivas basadas en eventos. Por un lado, se implementó un diseño digital basado en eventos del modelo Jeffress. Por otro lado, se diseñó una novedosa implementación digital del modelo de codificador de diferencias temporales y se implementó en FPGA. Por último, se utilizaron tres plataformas robóticas diferentes para evaluar el rendimiento de las arquitecturas de procesamiento de audio neuromórfico en tiempo real propuestas. Se utilizó un generador central de patrones guiado por audio para controlar un robot hexápodo en tiempo real utilizando redes neuronales pulsantes en SpiNNaker. A continuación, se implementó una aplicación de integración sensorial que combina la localización de fuentes de sonido y la evitación de obstáculos para la navegación de robots autónomos. Por último, se integró el Sensor Auditivo Neuromórfico dentro de la plataforma robótica iCub, siendo la primera vez que se utiliza una cóclea basada en eventos en un robot humanoide. Por último, en este trabajo se presentan las conclusiones obtenidas y se proponen nuevas funcionalidades y mejoras para futuros trabajos

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

A NEUROMORPHIC APPROACH TO TACTILE PERCEPTION

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

RN-Net: Reservoir Nodes-Enabled Neuromorphic Vision Sensing Network

Event-based cameras are inspired by the sparse and asynchronous spike representation of the biological visual system. However, processing the event data requires either using expensive feature descriptors to transform spikes into frames, or using spiking neural networks that are expensive to train. In this work, we propose a neural network architecture, Reservoir Nodes-enabled neuromorphic vision sensing Network (RN-Net), based on simple convolution layers integrated with dynamic temporal encoding reservoirs for local and global spatiotemporal feature detection with low hardware and training costs. The RN-Net allows efficient processing of asynchronous temporal features, and achieves the highest accuracy of 99.2% for DVS128 Gesture reported to date, and one of the highest accuracy of 67.5% for DVS Lip dataset at a much smaller network size. By leveraging the internal device and circuit dynamics, asynchronous temporal feature encoding can be implemented at very low hardware cost without preprocessing and dedicated memory and arithmetic units. The use of simple DNN blocks and standard backpropagation-based training rules further reduces implementation costs.Comment: 12 pages, 5 figures, 4 table

Spike-based information encoding in vertical cavity surface emitting lasers for neuromorphic photonic systems

The ongoing growth of use-cases for artificial neural networks (ANNs) fuels the search for new, tailor-made ANN-optimized hardware. Neuromorphic (brain-like) computers are among the proposed highly promising solutions, with optical neuromorphic realizations recently receiving increasing research interest. Among these, photonic neuronal models based on vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) stand out due to their favourable properties, fast operation and mature technology. In this work, we experimentally demonstrate different strategies to encode information into ultrafast spiking events in a VCSEL-neuron. We evaluate how the strength of the input perturbations (stimuli) influences the spike activation time, allowing for spike latency input coding. Based on a study of refractory behaviour in the system, we demonstrate the capability of the VCSEL-neuron to perform reliable binary-to-spike information coding with spiking rates surpassing 1 GHz. We also report experimentally on neuro-inspired spike firing rate-coding with a VCSEL-neuron, where the strength of the input perturbation (stimulus) is continuously encoded into the spiking frequency (spike firing rate). With the prospects of neuromorphic photonic systems constantly growing, we believe the reported functionalities with the ultrafast spiking VCSEL-neurons provide a reliable, multifaceted approach for interfacing photonic neuromorphic platforms with existing computation and communication systems