A Deep Hierarchical Approach to Lifelong Learning in Minecraft

We propose a lifelong learning system that has the ability to reuse and transfer knowledge from one task to another while efficiently retaining the previously learned knowledge-base. Knowledge is transferred by learning reusable skills to solve tasks in Minecraft, a popular video game which is an unsolved and high-dimensional lifelong learning problem. These reusable skills, which we refer to as Deep Skill Networks, are then incorporated into our novel Hierarchical Deep Reinforcement Learning Network (H-DRLN) architecture using two techniques: (1) a deep skill array and (2) skill distillation, our novel variation of policy distillation (Rusu et. al. 2015) for learning skills. Skill distillation enables the HDRLN to efficiently retain knowledge and therefore scale in lifelong learning, by accumulating knowledge and encapsulating multiple reusable skills into a single distilled network. The H-DRLN exhibits superior performance and lower learning sample complexity compared to the regular Deep Q Network (Mnih et. al. 2015) in sub-domains of Minecraft

my Human Brain Project (mHBP)

How can we make an agent that thinks like us humans? An agent that can have proprioception, intrinsic motivation, identify deception, use small amounts of energy, transfer knowledge between tasks and evolve? This is the problem that this thesis is focusing on. Being able to create a piece of software that can perform tasks like a human being, is a goal that, if achieved, will allow us to extend our own capabilities to a very high level, and have more tasks performed in a predictable fashion. This is one of the motivations for this thesis. To address this problem, we have proposed a modular architecture for Reinforcement Learning computation and developed an implementation to have this architecture exercised. This software, that we call mHBP, is created in Python using Webots as an environment for the agent, and Neo4J, a graph database, as memory. mHBP takes the sensory data or other inputs, and produces, based on the body parts / tools that the agent has available, an output consisting of actions to perform. This thesis involves experimental design with several iterations, exploring a theoretical approach to RL based on graph databases. We conclude, with our work in this thesis, that it is possible to represent episodic data in a graph, and is also possible to interconnect Webots, Python and Neo4J to support a stable architecture for Reinforcement Learning. In this work we also find a way to search for policies using the Neo4J querying language: Cypher. Another key conclusion of this work is that state representation needs to have further research to find a state definition that enables policy search to produce more useful policies. The article “REINFORCEMENT LEARNING: A LITERATURE REVIEW (2020)” at Research Gate with doi 10.13140/RG.2.2.30323.76327 is an outcome of this thesis.Como podemos criar um agente que pense como nós humanos? Um agente que tenha propriocepção, motivação intrínseca, seja capaz de identificar ilusão, usar pequenas quantidades de energia, transferir conhecimento entre tarefas e evoluir? Este é o problema em que se foca esta tese. Ser capaz de criar uma peça de software que desempenhe tarefas como um ser humano é um objectivo que, se conseguido, nos permitirá estender as nossas capacidades a um nível muito alto, e conseguir realizar mais tarefas de uma forma previsível. Esta é uma das motivações desta tese. Para endereçar este problema, propomos uma arquitectura modular para computação de aprendizagem por reforço e desenvolvemos uma implementação para exercitar esta arquitetura. Este software, ao qual chamamos mHBP, foi criado em Python usando o Webots como um ambiente para o agente, e o Neo4J, uma base de dados de grafos, como memória. O mHBP recebe dados sensoriais ou outros inputs, e produz, baseado nas partes do corpo / ferramentas que o agente tem disponíveis, um output que consiste em ações a desempenhar. Uma boa parte desta tese envolve desenho experimental com diversas iterações, explorando uma abordagem teórica assente em bases de dados de grafos. Concluímos, com o trabalho nesta tese, que é possível representar episódios em um grafo, e que é, também, possível interligar o Webots, com o Python e o Neo4J para suportar uma arquitetura estável para a aprendizagem por reforço. Neste trabalho, também, encontramos uma forma de procurar políticas usando a linguagem de pesquisa do Neo4J: Cypher. Outra conclusão chave deste trabalho é que a representação de estados necessita de mais investigação para encontrar uma definição de estado que permita à pesquisa de políticas produzir políticas que sejam mais úteis. O artigo “REINFORCEMENT LEARNING: A LITERATURE REVIEW (2020)” no Research Gate com o doi 10.13140/RG.2.2.30323.76327 é um sub-produto desta tese