Precis of neuroconstructivism: how the brain constructs cognition

Neuroconstructivism: How the Brain Constructs Cognition proposes a unifying framework for the study of cognitive development that brings together (1) constructivism (which views development as the progressive elaboration of increasingly complex structures), (2) cognitive neuroscience (which aims to understand the neural mechanisms underlying behavior), and (3) computational modeling (which proposes formal and explicit specifications of information processing). The guiding principle of our approach is context dependence, within and (in contrast to Marr [1982]) between levels of organization. We propose that three mechanisms guide the emergence of representations: competition, cooperation, and chronotopy; which themselves allow for two central processes: proactivity and progressive specialization. We suggest that the main outcome of development is partial representations, distributed across distinct functional circuits. This framework is derived by examining development at the level of single neurons, brain systems, and whole organisms. We use the terms encellment, embrainment, and embodiment to describe the higher-level contextual influences that act at each of these levels of organization. To illustrate these mechanisms in operation we provide case studies in early visual perception, infant habituation, phonological development, and object representations in infancy. Three further case studies are concerned with interactions between levels of explanation: social development, atypical development and within that, developmental dyslexia. We conclude that cognitive development arises from a dynamic, contextual change in embodied neural structures leading to partial representations across multiple brain regions and timescales, in response to proactively specified physical and social environment

Embodied heuristics

Intelligence evolved to cope with situations of uncertainty generated by nature, predators, and the behavior of conspecifics. To this end, humans and other animals acquired special abilities, including heuristics that allow for swift action in face of scarce information. In this article, I introduce the concept of embodied heuristics, that is, innate or learned rules of thumb that exploit evolved sensory and motor abilities in order to facilitate superior decisions. I provide a case study of the gaze heuristic, which solves coordination problems from intercepting prey to catching a fly ball. Various species have adapted this heuristic to their specific sensorimotor abilities, such as vision, echolocation, running, and flying. Humans have enlisted it for solving tasks beyond its original purpose, a process akin to exaptation. The gaze heuristic also made its way into rocket technology. I propose a systematic study of embodied heuristics as a research framework for situated cognition and embodied bounded rationality

Modeling of human movement for the generation of humanoid robot motion

La robotique humanoïde arrive a maturité avec des robots plus rapides et plus précis. Pour faire face à la complexité mécanique, la recherche a commencé à regarder au-delà du cadre habituel de la robotique, vers les sciences de la vie, afin de mieux organiser le contrôle du mouvement. Cette thèse explore le lien entre mouvement humain et le contrôle des systèmes anthropomorphes tels que les robots humanoïdes. Tout d’abord, en utilisant des méthodes classiques de la robotique, telles que l’optimisation, nous étudions les principes qui sont à la base de mouvements répétitifs humains, tels que ceux effectués lorsqu’on joue au yoyo. Nous nous concentrons ensuite sur la locomotion en nous inspirant de résultats en neurosciences qui mettent en évidence le rôle de la tête dans la marche humaine. En développant une interface permettant à un utilisateur de commander la tête du robot, nous proposons une méthode de contrôle du mouvement corps-complet d’un robot humanoïde, incluant la production de pas et permettant au corps de suivre le mouvement de la tête. Cette idée est poursuivie dans l’étude finale dans laquelle nous analysons la locomotion de sujets humains, dirigée vers une cible, afin d’extraire des caractéristiques du mouvement sous forme invariants. En faisant le lien entre la notion “d’invariant” en neurosciences et celle de “tâche cinématique” en robotique humanoïde, nous développons une méthode pour produire une locomotion réaliste pour d’autres systèmes anthropomorphes. Dans ce cas, les résultats sont illustrés sur le robot humanoïde HRP2 du LAAS-CNRS. La contribution générale de cette thèse est de montrer que, bien que la planification de mouvement pour les robots humanoïdes peut être traitée par des méthodes classiques de robotique, la production de mouvements réalistes nécessite de combiner ces méthodes à l’observation systématique et formelle du comportement humain. ABSTRACT : Humanoid robotics is coming of age with faster and more agile robots. To compliment the physical complexity of humanoid robots, the robotics algorithms being developed to derive their motion have also become progressively complex. The work in this thesis spans across two research fields, human neuroscience and humanoid robotics, and brings some ideas from the former to aid the latter. By exploring the anthropological link between the structure of a human and that of a humanoid robot we aim to guide conventional robotics methods like local optimization and task-based inverse kinematics towards more realistic human-like solutions. First, we look at dynamic manipulation of human hand trajectories while playing with a yoyo. By recording human yoyo playing, we identify the control scheme used as well as a detailed dynamic model of the hand-yoyo system. Using optimization this model is then used to implement stable yoyo-playing within the kinematic and dynamic limits of the humanoid HRP-2. The thesis then extends its focus to human and humanoid locomotion. We take inspiration from human neuroscience research on the role of the head in human walking and implement a humanoid robotics analogy to this. By allowing a user to steer the head of a humanoid, we develop a control method to generate deliberative whole-body humanoid motion including stepping, purely as a consequence of the head movement. This idea of understanding locomotion as a consequence of reaching a goal is extended in the final study where we look at human motion in more detail. Here, we aim to draw to a link between “invariants” in neuroscience and “kinematic tasks” in humanoid robotics. We record and extract stereotypical characteristics of human movements during a walking and grasping task. These results are then normalized and generalized such that they can be regenerated for other anthropomorphic figures with different kinematic limits than that of humans. The final experiments show a generalized stack of tasks that can generate realistic walking and grasping motion for the humanoid HRP-2. The general contribution of this thesis is in showing that while motion planning for humanoid robots can be tackled by classical methods of robotics, the production of realistic movements necessitate the combination of these methods with the systematic and formal observation of human behavior

Choreographic and Somatic Approaches for the Development of Expressive Robotic Systems

As robotic systems are moved out of factory work cells into human-facing environments questions of choreography become central to their design, placement, and application. With a human viewer or counterpart present, a system will automatically be interpreted within context, style of movement, and form factor by human beings as animate elements of their environment. The interpretation by this human counterpart is critical to the success of the system's integration: knobs on the system need to make sense to a human counterpart; an artificial agent should have a way of notifying a human counterpart of a change in system state, possibly through motion profiles; and the motion of a human counterpart may have important contextual clues for task completion. Thus, professional choreographers, dance practitioners, and movement analysts are critical to research in robotics. They have design methods for movement that align with human audience perception, can identify simplified features of movement for human-robot interaction goals, and have detailed knowledge of the capacity of human movement. This article provides approaches employed by one research lab, specific impacts on technical and artistic projects within, and principles that may guide future such work. The background section reports on choreography, somatic perspectives, improvisation, the Laban/Bartenieff Movement System, and robotics. From this context methods including embodied exercises, writing prompts, and community building activities have been developed to facilitate interdisciplinary research. The results of this work is presented as an overview of a smattering of projects in areas like high-level motion planning, software development for rapid prototyping of movement, artistic output, and user studies that help understand how people interpret movement. Finally, guiding principles for other groups to adopt are posited.Comment: Under review at MDPI Arts Special Issue "The Machine as Artist (for the 21st Century)" http://www.mdpi.com/journal/arts/special_issues/Machine_Artis

Embodied Language Learning and Cognitive Bootstrapping:Methods and Design Principles

Co-development of action, conceptualization and social interaction mutually scaffold and support each other within a virtuous feedback cycle in the development of human language in children. Within this framework, the purpose of this article is to bring together diverse but complementary accounts of research methods that jointly contribute to our understanding of cognitive development and in particular, language acquisition in robots. Thus, we include research pertaining to developmental robotics, cognitive science, psychology, linguistics and neuroscience, as well as practical computer science and engineering. The different studies are not at this stage all connected into a cohesive whole; rather, they are presented to illuminate the need for multiple different approaches that complement each other in the pursuit of understanding cognitive development in robots. Extensive experiments involving the humanoid robot iCub are reported, while human learning relevant to developmental robotics has also contributed useful results. Disparate approaches are brought together via common underlying design principles. Without claiming to model human language acquisition directly, we are nonetheless inspired by analogous development in humans and consequently, our investigations include the parallel co-development of action, conceptualization and social interaction. Though these different approaches need to ultimately be integrated into a coherent, unified body of knowledge, progress is currently also being made by pursuing individual methods

Towards a complete multiple-mechanism account of predictive language processing [Commentary on Pickering & Garrod]

Although we agree with Pickering & Garrod (P&G) that prediction-by-simulation and prediction-by-association are important mechanisms of anticipatory language processing, this commentary suggests that they: (1) overlook other potential mechanisms that might underlie prediction in language processing, (2) overestimate the importance of prediction-by-association in early childhood, and (3) underestimate the complexity and significance of several factors that might mediate prediction during language processing

An integrated theory of language production and comprehension

Currently, production and comprehension are regarded as quite distinct in accounts of language processing. In rejecting this dichotomy, we instead assert that producing and understanding are interwoven, and that this interweaving is what enables people to predict themselves and each other. We start by noting that production and comprehension are forms of action and action perception. We then consider the evidence for interweaving in action, action perception, and joint action, and explain such evidence in terms of prediction. Specifically, we assume that actors construct forward models of their actions before they execute those actions, and that perceivers of others' actions covertly imitate those actions, then construct forward models of those actions. We use these accounts of action, action perception, and joint action to develop accounts of production, comprehension, and interactive language. Importantly, they incorporate well-defined levels of linguistic representation (such as semantics, syntax, and phonology). We show (a) how speakers and comprehenders use covert imitation and forward modeling to make predictions at these levels of representation, (b) how they interweave production and comprehension processes, and (c) how they use these predictions to monitor the upcoming utterances. We show how these accounts explain a range of behavioral and neuroscientific data on language processing and discuss some of the implications of our proposal

Embodied language learning and cognitive bootstrapping: methods and design principles

Co-development of action, conceptualization and social interaction mutually scaffold and support each other within a virtuous feedback cycle in the development of human language in children. Within this framework, the purpose of this article is to bring together diverse but complementary accounts of research methods that jointly contribute to our understanding of cognitive development and in particular, language acquisition in robots. Thus, we include research pertaining to developmental robotics, cognitive science, psychology, linguistics and neuroscience, as well as practical computer science and engineering. The different studies are not at this stage all connected into a cohesive whole; rather, they are presented to illuminate the need for multiple different approaches that complement each other in the pursuit of understanding cognitive development in robots. Extensive experiments involving the humanoid robot iCub are reported, while human learning relevant to developmental robotics has also contributed useful results. Disparate approaches are brought together via common underlying design principles. Without claiming to model human language acquisition directly, we are nonetheless inspired by analogous development in humans and consequently, our investigations include the parallel co-development of action, conceptualization and social interaction. Though these different approaches need to ultimately be integrated into a coherent, unified body of knowledge, progress is currently also being made by pursuing individual methods

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