Evolving Soft Robots with Vibration Based Movement

Creating effective designs for soft robots is extremely difficult due to the large number of different possibilities for shape, material properties, and movement mechanisms. Due to the lack of methods to design soft robots, previous research has used evolutionary algorithms to tackle this problem of overwhelming options. A popular technique is to use generative encodings to create designs using evolutionary algorithms because of their modularity and ability to induce large scale coordinated change. The main drawback of generative encodings is that it is difficult to know where along the ontogenic trajectory resides the phenotype with the highest fitness. The two main approaches for addressing this issue are static and scaled developmental timings. In order to compare the effectiveness of each of these two approaches, I have implemented a framework capable of evolving soft robot designs that utilize vibration as a movement mechanism

Using MapReduce Streaming for Distributed Life Simulation on the Cloud

Distributed software simulations are indispensable in the study of large-scale life models but often require the use of technically complex lower-level distributed computing frameworks, such as MPI. We propose to overcome the complexity challenge by applying the emerging MapReduce (MR) model to distributed life simulations and by running such simulations on the cloud. Technically, we design optimized MR streaming algorithms for discrete and continuous versions of Conway’s life according to a general MR streaming pattern. We chose life because it is simple enough as a testbed for MR’s applicability to a-life simulations and general enough to make our results applicable to various lattice-based a-life models. We implement and empirically evaluate our algorithms’ performance on Amazon’s Elastic MR cloud. Our experiments demonstrate that a single MR optimization technique called strip partitioning can reduce the execution time of continuous life simulations by 64%. To the best of our knowledge, we are the first to propose and evaluate MR streaming algorithms for lattice-based simulations. Our algorithms can serve as prototypes in the development of novel MR simulation algorithms for large-scale lattice-based a-life models.https://digitalcommons.chapman.edu/scs_books/1014/thumbnail.jp

Spéciation guidée par l'environnement‎ : interactions sur des périodes évolutionnaires de communautés de plantes artificielles

Depuis des décades, les chercheurs en Vie Artificielle on créé une pléthore de créatures en utilisant de multiples schémas d’encodage, capacités motrices et aptitudes cognitives. Un motif récurrent, cependant, est que la focalisation est centrée sur les individus à évoluer, ne laissant que peu de place aux variations environnementales. Dans ce travail, nous argumentons que des contraintes abiotiques plus complexes pourraient diriger un processus évolutionnaire vers des régions de l’espace génétique plus robustes and diverses. Nous avons conçu un modèle morphologique complexe, basé sur les graphes orientés de K. Sims, qui repose sur le moteur physique Bullet pour la précision et utilise des contraintes à 6 Degrés de Liberté pour connecter les paires d’organes. Nous avons ainsi évolué un panel de plantes à l’aspect naturel qui devaient survivre malgré des niveaux de ressources variables induits par une source de lumière mobile et des motifs de pluies saisonnières. En plus de cette expérience, nous avons aussi obtenu une meilleure croissance verticale en ajoutant une contrainte biotique artificielle sous la forme de brins d’herbe statiques. La complexité de ce modèle, cependant, ne permettait pas la mise a l’échelle d’une évolution de populations et a donc été réduit dans l’expérience suivante, notamment en supprimant le moteur physique. Cela nous a amené à l’exploration de la co-évolution de populations composées d’une unique espèce et ayant la capacité de se reproduire de manière autonome grâce à notre Bail-Out Crossover (Croisement avec Désistement). Bien que les populations résultantes n’ont pas démontré un grand intérêt pour cette aptitude, elles ont néanmoins fourni d’importantes informations sur les mécanismes d’auto-reproduction. Ceux-ci ont été mis en action dans un second modèle inspiré des travaux de Bornhofen. Grâce à sa légèreté, cela nous a permis de traiter non seulement de plus grandes populations (de l’ordre de milliers d’individus) mais aussi de plus longues périodes évolutionnaires (100 années, approximativement 5000 générations). Notre première expérience avec ce modèle s’est concentrée sur la possibilité de reproduire des cas d’école de spéciation (allopatrique, parapatrique, péripatrique) sur cette plate-forme. Grâce à APOGet, une nouvelle procédure de regroupement pour l’extraction en parallèle d’espèces à partir d’un arbre généalogique, nous avons pu affirmer que le système était effectivement capable de spéciation spontanée. Cela nous a conduit à une dernière expérience dans laquelle l’environnement était contrôlé par de la Programmation Génétique Cartésienne (CGP), permettant ainsi une évolution automatique d’une population et des contraintes abiotiques auxquelles elle était confrontée. Par une variation du traditionnel algorithme 1 + λ nous avons obtenu 10 populations finales qui ont survécu à de brutales et imprévisibles variations environnementales. En les comparant à un groupe contrôle c pour lequel les contraintes ont été maintenues faibles et constantes, le groupe évolué e a montré des performances mitigées: dans les deux types de tests, une moitié de e surpassait c qui, à son tour, surpassait la moitié restante de e. Nous avons aussi trouvé une très forte corrélation entre les chutes catastrophiques de population et la performance des évolutions correspondantes. Il en résulte que l’évolution de population dans des environnements hostiles et dynamiques n’est pas une panacée bien que ces expériences en démontrent le potentiel et souligne le besoin d’études ultérieures plus approfondies.Artificial Life researchers have, for decades, created a plethora of creatures using numerous encoding schemes, motile capabilities and cognitive capacities. One recurring pattern, however, is that focus is solely put on the evolved individuals, with very limited environmental variations. In this work, we argue that more complex abiotic constraints could drive an evolutionary process towards more robust and diverse regions of the genetic space. We started with a complex morphogenetic model, based on K. Sims’ directed graphs, which relied on the Bullet physics engine for accuracy and used 6Degrees of Freedom constraints to connect pairs of organs. We evolved a panel of natural-looking plants which had to cope with varying resource levels thanks to a mobile light source and seasonal rain patterns. In addition to this experiment, we also obtained improved vertical growth by adding an artificialbiotic constraint in the form of static grass blades. However, the computational cost of this model precluded scaling to a population-level evolution and was reduced in the successive experiment, notably by removing the physical engine. This led to the exploration of co-evolution on single-species populations which, thanks to our Bail-Out Crossover (BOC) algorithm, were able to self-reproduce. The resulting populations provided valuable insight into the mechanisms of self-sustainability. These were put to action in an even more straightforward morphogenetic model inspired by the work of Bornhofen. Due to its light weightness, this allowed for both larger populations (up to thousands of individuals) and longer evolutionary periods (100 years, roughly 5K generations). Our first experiment on this model tested whether text-book cases of speciation could be reproduced in our framework. Such positive results were observed thanks to the species monitoring capacities of APOGeT, a novel clustering procedure we designed for online extraction of species from a genealogic tree. This drove us to a final experiment in which the environment was controlled through Cartesian Genetic Programming thus allowing the automated evolution of both the population and abiotic constraints it is subjected to. Through a variation of the traditional1 + λ algorithm, we obtained 10 populations (evolved group e) which had endured in harsh and unpredictable environments. These were confronted to a control group c, in which the constraints were kept mild and constant, on two types of colonization evaluation. Results showed that the evolved group was heterogeneous with half of e consistently outperforming members of c and the other half exhibiting worse performances than the baseline. We also found a very strong positive correlation between catastrophic drops in population level during evolution with the robustness of their final representatives. From this work, two conclusions can be drawn. First, though the need to fight on both the abiotic and biotic fronts can lead to worse performances, more robust individuals can be found in reasonable time-frames. Second, the automated co-evolution of populations and their environments is essential in exploring counter-intuitive, yet fundamental, dynamics both in biological and artificial life

Spéciation guidée par l'environnement‎ : interactions sur des périodes évolutionnaires de communautés de plantes artificielles

Depuis des décades, les chercheurs en Vie Artificielle on créé une pléthore de créatures en utilisant de multiples schémas d’encodage, capacités motrices et aptitudes cognitives. Un motif récurrent, cependant, est que la focalisation est centrée sur les individus à évoluer, ne laissant que peu de place aux variations environnementales. Dans ce travail, nous argumentons que des contraintes abiotiques plus complexes pourraient diriger un processus évolutionnaire vers des régions de l’espace génétique plus robustes and diverses. Nous avons conçu un modèle morphologique complexe, basé sur les graphes orientés de K. Sims, qui repose sur le moteur physique Bullet pour la précision et utilise des contraintes à 6 Degrés de Liberté pour connecter les paires d’organes. Nous avons ainsi évolué un panel de plantes à l’aspect naturel qui devaient survivre malgré des niveaux de ressources variables induits par une source de lumière mobile et des motifs de pluies saisonnières. En plus de cette expérience, nous avons aussi obtenu une meilleure croissance verticale en ajoutant une contrainte biotique artificielle sous la forme de brins d’herbe statiques. La complexité de ce modèle, cependant, ne permettait pas la mise a l’échelle d’une évolution de populations et a donc été réduit dans l’expérience suivante, notamment en supprimant le moteur physique. Cela nous a amené à l’exploration de la co-évolution de populations composées d’une unique espèce et ayant la capacité de se reproduire de manière autonome grâce à notre Bail-Out Crossover (Croisement avec Désistement). Bien que les populations résultantes n’ont pas démontré un grand intérêt pour cette aptitude, elles ont néanmoins fourni d’importantes informations sur les mécanismes d’auto-reproduction. Ceux-ci ont été mis en action dans un second modèle inspiré des travaux de Bornhofen. Grâce à sa légèreté, cela nous a permis de traiter non seulement de plus grandes populations (de l’ordre de milliers d’individus) mais aussi de plus longues périodes évolutionnaires (100 années, approximativement 5000 générations). Notre première expérience avec ce modèle s’est concentrée sur la possibilité de reproduire des cas d’école de spéciation (allopatrique, parapatrique, péripatrique) sur cette plate-forme. Grâce à APOGet, une nouvelle procédure de regroupement pour l’extraction en parallèle d’espèces à partir d’un arbre généalogique, nous avons pu affirmer que le système était effectivement capable de spéciation spontanée. Cela nous a conduit à une dernière expérience dans laquelle l’environnement était contrôlé par de la Programmation Génétique Cartésienne (CGP), permettant ainsi une évolution automatique d’une population et des contraintes abiotiques auxquelles elle était confrontée. Par une variation du traditionnel algorithme 1 + λ nous avons obtenu 10 populations finales qui ont survécu à de brutales et imprévisibles variations environnementales. En les comparant à un groupe contrôle c pour lequel les contraintes ont été maintenues faibles et constantes, le groupe évolué e a montré des performances mitigées: dans les deux types de tests, une moitié de e surpassait c qui, à son tour, surpassait la moitié restante de e. Nous avons aussi trouvé une très forte corrélation entre les chutes catastrophiques de population et la performance des évolutions correspondantes. Il en résulte que l’évolution de population dans des environnements hostiles et dynamiques n’est pas une panacée bien que ces expériences en démontrent le potentiel et souligne le besoin d’études ultérieures plus approfondies.Artificial Life researchers have, for decades, created a plethora of creatures using numerous encoding schemes, motile capabilities and cognitive capacities. One recurring pattern, however, is that focus is solely put on the evolved individuals, with very limited environmental variations. In this work, we argue that more complex abiotic constraints could drive an evolutionary process towards more robust and diverse regions of the genetic space. We started with a complex morphogenetic model, based on K. Sims’ directed graphs, which relied on the Bullet physics engine for accuracy and used 6Degrees of Freedom constraints to connect pairs of organs. We evolved a panel of natural-looking plants which had to cope with varying resource levels thanks to a mobile light source and seasonal rain patterns. In addition to this experiment, we also obtained improved vertical growth by adding an artificialbiotic constraint in the form of static grass blades. However, the computational cost of this model precluded scaling to a population-level evolution and was reduced in the successive experiment, notably by removing the physical engine. This led to the exploration of co-evolution on single-species populations which, thanks to our Bail-Out Crossover (BOC) algorithm, were able to self-reproduce. The resulting populations provided valuable insight into the mechanisms of self-sustainability. These were put to action in an even more straightforward morphogenetic model inspired by the work of Bornhofen. Due to its light weightness, this allowed for both larger populations (up to thousands of individuals) and longer evolutionary periods (100 years, roughly 5K generations). Our first experiment on this model tested whether text-book cases of speciation could be reproduced in our framework. Such positive results were observed thanks to the species monitoring capacities of APOGeT, a novel clustering procedure we designed for online extraction of species from a genealogic tree. This drove us to a final experiment in which the environment was controlled through Cartesian Genetic Programming thus allowing the automated evolution of both the population and abiotic constraints it is subjected to. Through a variation of the traditional1 + λ algorithm, we obtained 10 populations (evolved group e) which had endured in harsh and unpredictable environments. These were confronted to a control group c, in which the constraints were kept mild and constant, on two types of colonization evaluation. Results showed that the evolved group was heterogeneous with half of e consistently outperforming members of c and the other half exhibiting worse performances than the baseline. We also found a very strong positive correlation between catastrophic drops in population level during evolution with the robustness of their final representatives. From this work, two conclusions can be drawn. First, though the need to fight on both the abiotic and biotic fronts can lead to worse performances, more robust individuals can be found in reasonable time-frames. Second, the automated co-evolution of populations and their environments is essential in exploring counter-intuitive, yet fundamental, dynamics both in biological and artificial life

Visual strategies underpinning social cognition in traumatic brain injury

Impairments in social cognition after traumatic brain injury (TBI) are well documented but poorly understood (McDonald, 2013). Deficits in emotion perception, particularly facial affect recognition, are frequently reported in the literature (Babbage et al., 2011; Knox & Douglas, 2009), as well as mentalizing impairments and difficulty in understanding sincere and sarcastic exchanges (Channon, Pellijeff & Rule, 2005). To fully understand social impairments, both low-level and high-level processes must be explored. Few studies have focused on low-level perceptual processes in regards to facial affect recognition after TBI, and those that do typically use static social stimuli which lack ecological validity (Alves, 2013). This thesis employed eyetracking technology to explore the visual strategies underpinning the processing of contemporary static and dynamic social cognition tasks in a group of 18 TBI participants and 18 age, gender and education matched controls. The group affected by TBI scored significantly lower on the Movie for the Assessment of Social Cognition (MASC; Dziobek, et al., 2006), the Amsterdam Dynamic Facial Expression Set (ADFES; van der Schalk, Hawk, Fischer & Doosje, 2009), and The Assessment of Social Inference Test (McDonald et al., 2003). These findings suggest that, across a range of reliable assessments, individuals with TBI displayed significant social cognition deficits, including emotion perception and theory of mind, thus presenting strong evidence that social cognition is altered post-TBI. Impairments were not related to low-level visual processing as measured through eye-tracking metrics. This important insight suggests that social cognition changes post-TBI is likely associated with impairments in higher-level cognitive functioning. Interestingly, the group with TBI did display some aberrant fixation patterns in response to one static and one dynamic task but gaze patterns were similar between the groups on the remaining tasks. These non-uniform results warrant further exploration of low-level alterations post-TBI. Findings are discussed in reference to academic and clinical implications