8 research outputs found

    Connecting Artificial Brains to Robots in a Comprehensive Simulation Framework: The Neurorobotics Platform

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    Combined efforts in the fields of neuroscience, computer science, and biology allowed to design biologically realistic models of the brain based on spiking neural networks. For a proper validation of these models, an embodiment in a dynamic and rich sensory environment, where the model is exposed to a realistic sensory-motor task, is needed. Due to the complexity of these brain models that, at the current stage, cannot deal with real-time constraints, it is not possible to embed them into a real-world task. Rather, the embodiment has to be simulated as well. While adequate tools exist to simulate either complex neural networks or robots and their environments, there is so far no tool that allows to easily establish a communication between brain and body models. The Neurorobotics Platform is a new web-based environment that aims to fill this gap by offering scientists and technology developers a software infrastructure allowing them to connect brain models to detailed simulations of robot bodies and environments and to use the resulting neurorobotic systems for in silico experimentation. In order to simplify the workflow and reduce the level of the required programming skills, the platform provides editors for the specification of experimental sequences and conditions, environments, robots, and brain–body connectors. In addition to that, a variety of existing robots and environments are provided. This work presents the architecture of the first release of the Neurorobotics Platform developed in subproject 10 “Neurorobotics” of the Human Brain Project (HBP).1 At the current state, the Neurorobotics Platform allows researchers to design and run basic experiments in neurorobotics using simulated robots and simulated environments linked to simplified versions of brain models. We illustrate the capabilities of the platform with three example experiments: a Braitenberg task implemented on a mobile robot, a sensory-motor learning task based on a robotic controller, and a visual tracking embedding a retina model on the iCub humanoid robot. These use-cases allow to assess the applicability of the Neurorobotics Platform for robotic tasks as well as in neuroscientific experiments.The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement no. 604102 (Human Brain Project) and from the European Unions Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Grant Agreement No. 720270 (HBP SGA1)

    A Survey of Robotics Control Based on Learning-Inspired Spiking Neural Networks

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    Biological intelligence processes information using impulses or spikes, which makes those living creatures able to perceive and act in the real world exceptionally well and outperform state-of-the-art robots in almost every aspect of life. To make up the deficit, emerging hardware technologies and software knowledge in the fields of neuroscience, electronics, and computer science have made it possible to design biologically realistic robots controlled by spiking neural networks (SNNs), inspired by the mechanism of brains. However, a comprehensive review on controlling robots based on SNNs is still missing. In this paper, we survey the developments of the past decade in the field of spiking neural networks for control tasks, with particular focus on the fast emerging robotics-related applications. We first highlight the primary impetuses of SNN-based robotics tasks in terms of speed, energy efficiency, and computation capabilities. We then classify those SNN-based robotic applications according to different learning rules and explicate those learning rules with their corresponding robotic applications. We also briefly present some existing platforms that offer an interaction between SNNs and robotics simulations for exploration and exploitation. Finally, we conclude our survey with a forecast of future challenges and some associated potential research topics in terms of controlling robots based on SNNs

    Running Large-Scale Simulations on the Neurorobotics Platform to Understand Vision – The Case of Visual Crowding

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    Traditionally, human vision research has focused on specific paradigms and proposed models to explain very specific properties of visual perception. However, the complexity and scope of modern psychophysical paradigms undermine the success of this approach. For example, perception of an element strongly deteriorates when neighboring elements are presented in addition (visual crowding). As it was shown recently, the magnitude of deterioration depends not only on the directly neighboring elements but on almost all elements and their specific configuration. Hence, to fully explain human visual perception, one needs to take large parts of the visual field into account and combine all the aspects of vision that become relevant at such scale. These efforts require sophisticated and collaborative modeling. The Neurorobotics Platform (NRP) of the Human Brain Project offers a unique opportunity to connect models of all sorts of visual functions, even those developed by different research groups, into a coherently functioning system. Here, we describe how we used the NRP to connect and simulate a segmentation model, a retina model, and a saliency model to explain complex results about visual perception. The combination of models highlights the versatility of the NRP and provides novel explanations for inward-outward anisotropy in visual crowding

    Supervised Learning in SNN via Reward-Modulated Spike-Timing-Dependent Plasticity for a Target Reaching Vehicle

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    Spiking neural networks (SNNs) offer many advantages over traditional artificial neural networks (ANNs) such as biological plausibility, fast information processing, and energy efficiency. Although SNNs have been used to solve a variety of control tasks using the Spike-Timing-Dependent Plasticity (STDP) learning rule, existing solutions usually involve hard-coded network architectures solving specific tasks rather than solving different kinds of tasks generally. This results in neglecting one of the biggest advantages of ANNs, i.e., being general-purpose and easy-to-use due to their simple network architecture, which usually consists of an input layer, one or multiple hidden layers and an output layer. This paper addresses the problem by introducing an end-to-end learning approach of spiking neural networks constructed with one hidden layer and reward-modulated Spike-Timing-Dependent Plasticity (R-STDP) synapses in an all-to-all fashion. We use the supervised reward-modulated Spike-Timing-Dependent-Plasticity learning rule to train two different SNN-based sub-controllers to replicate a desired obstacle avoiding and goal approaching behavior, provided by pre-generated datasets. Together they make up a target-reaching controller, which is used to control a simulated mobile robot to reach a target area while avoiding obstacles in its path. We demonstrate the performance and effectiveness of our trained SNNs to achieve target reaching tasks in different unknown scenarios

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

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    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

    Retina color-opponency based pursuit implemented through spiking neural networks in the neurorobotics platform

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    The ‘red-green’ pathway of the retina is classically recognized as one of the retinal mechanisms allowing humans to gather color information from light, by combining information from L-cones and M-cones in an opponent way. The precise retinal circuitry that allows the opponency process to occur is still uncertain, but it is known that signals from L-cones and M-cones, having a widely overlapping spectral response, contribute with opposite signs. In this paper, we simulate the red-green opponency process using a retina model based on linear-nonlinear analysis to characterize context adaptation and exploiting an image-processing approach to simulate the neural responses in order to track a moving target. Moreover, we integrate this model within a visual pursuit controller implemented as a spiking neural network to guide eye movements in a humanoid robot. Tests conducted in the Neurorobotics Platform confirm the effectiveness of the whole model. This work is the first step towards a bio-inspired smooth pursuit model embedding a retina model using spiking neural networks
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