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

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

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

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

A Scalable Approach to Modeling on Accelerated Neuromorphic Hardware.

Neuromorphic systems open up opportunities to enlarge the explorative space for computational research. However, it is often challenging to unite efficiency and usability. This work presents the software aspects of this endeavor for the BrainScaleS-2 system, a hybrid accelerated neuromorphic hardware architecture based on physical modeling. We introduce key aspects of the BrainScaleS-2 Operating System: experiment workflow, API layering, software design, and platform operation. We present use cases to discuss and derive requirements for the software and showcase the implementation. The focus lies on novel system and software features such as multi-compartmental neurons, fast re-configuration for hardware-in-the-loop training, applications for the embedded processors, the non-spiking operation mode, interactive platform access, and sustainable hardware/software co-development. Finally, we discuss further developments in terms of hardware scale-up, system usability, and efficiency

Emergent communication enhances foraging behaviour in evolved swarms controlled by Spiking Neural Networks

Social insects such as ants communicate via pheromones which allows them to coordinate their activity and solve complex tasks as a swarm, e.g. foraging for food. This behavior was shaped through evolutionary processes. In computational models, self-coordination in swarms has been implemented using probabilistic or simple action rules to shape the decision of each agent and the collective behavior. However, manual tuned decision rules may limit the behavior of the swarm. In this work we investigate the emergence of self-coordination and communication in evolved swarms without defining any explicit rule. We evolve a swarm of agents representing an ant colony. We use an evolutionary algorithm to optimize a spiking neural network (SNN) which serves as an artificial brain to control the behavior of each agent. The goal of the evolved colony is to find optimal ways to forage for food and return it to the nest in the shortest amount of time. In the evolutionary phase, the ants are able to learn to collaborate by depositing pheromone near food piles and near the nest to guide other ants. The pheromone usage is not manually encoded into the network; instead, this behavior is established through the optimization procedure. We observe that pheromone-based communication enables the ants to perform better in comparison to colonies where communication via pheromone did not emerge. We assess the foraging performance by comparing the SNN based model to a rule based system. Our results show that the SNN based model can efficiently complete the foraging task in a short amount of time. Our approach illustrates self coordination via pheromone emerges as a result of the network optimization. This work serves as a proof of concept for the possibility of creating complex applications utilizing SNNs as underlying architectures for multi-agent interactions where communication and self-coordination is desired.Comment: 27 pages, 16 figure

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