Neurorobótica - Neurorobotics

Neurorobótica , um estudo combinado de neurociência , robótica e inteligência artificial , é a ciência e a tecnologia de sistemas neurais autônomos corporificados. Os sistemas neurais incluem algoritmos inspirados no cérebro (por exemplo, redes conexionistas), modelos computacionais de redes neurais biológicas (por exemplo , redes neurais artificiais , simulações em grande escala de microcircuitos neurais) e sistemas biológicos reais (por exemplo, redes neurais in vivo e in vitro ). Esses sistemas neurais podem ser incorporados em máquinas com mecânica ou qualquer outra forma de atuação física. Isso inclui robôs , sistemas protéticos ou vestíveis, mas também, em menor escala, micro-máquinas e, em escalas maiores, móveis e infraestruturas.

A neurorobótica é o ramo da neurociência com a robótica, que lida com o estudo e a aplicação da ciência e da tecnologia de sistemas neurais autônomos corporificados, como algoritmos inspirados no cérebro. Em sua essência, os neurorrobóticos se baseiam na ideia de que o cérebro está incorporado e o corpo está incorporado ao meio ambiente. Portanto, a maioria dos neurorrobôs são obrigados a funcionar no mundo real, ao contrário de um ambiente simulado.

Além de algoritmos inspirados no cérebro para robôs, os neurorobóticos também podem envolver o projeto de sistemas de robôs controlados pelo cérebro.

Introdução

A neurorobótica representa a abordagem de duas frentes para o estudo da inteligência. A neurociência tenta discernir em que consiste a inteligência e como ela funciona, investigando sistemas biológicos inteligentes, enquanto o estudo da inteligência artificial tenta recriar a inteligência por meios não biológicos ou artificiais. A neurorobótica é a sobreposição das duas, onde teorias de inspiração biológica são testadas em um ambiente aterrado, com uma implementação física do referido modelo. Os sucessos e fracassos de um neurorrobô e o modelo a partir do qual ele é construído podem fornecer evidências para refutar ou apoiar essa teoria e fornecer informações para estudos futuros.

Principais classes de modelos neurorobóticos

Os neurorobôs podem ser divididos em várias classes principais com base na finalidade do robô. Cada classe é projetada para implementar um mecanismo específico de interesse para o estudo. Os tipos comuns de neurorrobôs são aqueles usados ​​para estudar o controle motor, a memória, a seleção de ações e a percepção.

Locomoção e controle motor

Os neurorrobôs são freqüentemente usados ​​para estudar feedback do motor e sistemas de controle, e provaram seu mérito no desenvolvimento de controladores para robôs. A locomoção é modelada por uma série de teorias inspiradas neurologicamente sobre a ação dos sistemas motores. O controle da locomoção foi imitado usando modelos ou geradores de padrão central , aglomerados de neurônios capazes de conduzir o comportamento repetitivo, para formar robôs que andam de quatro patas. Outros grupos expandiram a ideia de combinar sistemas de controle rudimentares em um conjunto hierárquico de sistemas autônomos simples. Esses sistemas podem formular movimentos complexos a partir de uma combinação desses subconjuntos rudimentares. Esta teoria da ação motora é baseada na organização de colunas corticais , que se integram progressivamente desde a entrada sensorial simples em sinais aferentes complexos , ou de programas motores complexos a controles simples para cada fibra muscular em sinais eferentes , formando uma estrutura hierárquica semelhante.

Outro método de controle motor usa correção de erros aprendida e controles preditivos para formar uma espécie de memória muscular simulada . Neste modelo, movimentos estranhos, aleatórios e sujeitos a erros são corrigidos para usar feedback de erro para produzir movimentos suaves e precisos ao longo do tempo. O controlador aprende a criar o sinal de controle correto, prevendo o erro. Usando essas idéias, foram projetados robôs que podem aprender a produzir movimentos de braço adaptativos ou a evitar obstáculos em um percurso.

Sistemas de aprendizagem e memória

Robôs projetados para testar teorias de sistemas de memória animal . Muitos estudos atualmente examinam o sistema de memória de ratos, particularmente o hipocampo de ratos , lidando com células locais , que disparam para um local específico que foi aprendido. Os sistemas modelados a partir do hipocampo de ratos geralmente são capazes de aprender mapas mentais do ambiente, incluindo o reconhecimento de pontos de referência e a associação de comportamentos a eles, permitindo-lhes prever os próximos obstáculos e pontos de referência.

Outro estudo produziu um robô baseado na proposta de paradigma de aprendizagem de corujas-das-torres para orientação e localização baseada principalmente em estímulos auditivos, mas também visuais. O método hipotético envolve plasticidade sináptica e neuromodulação , um efeito principalmente químico no qual neurotransmissores de recompensa como a dopamina ou serotonina afetam a sensibilidade de disparo de um neurônio para ser mais nítida. O robô usado no estudo correspondeu adequadamente ao comportamento das corujas. Além disso, a estreita interação entre a produção motora e o feedback auditivo provou ser vital no processo de aprendizagem, apoiando as teorias de sensoriamento ativo que estão envolvidas em muitos dos modelos de aprendizagem.

Os neurorobôs nesses estudos são apresentados a labirintos ou padrões simples para aprender. Alguns dos problemas apresentados ao neurorrobô incluem o reconhecimento de símbolos, cores ou outros padrões e a execução de ações simples com base no padrão. No caso da simulação da coruja-das-torres, o robô teve que determinar sua localização e direção para navegar em seu ambiente.

Seleção de ações e sistemas de valores

Os estudos de seleção de ação lidam com a ponderação negativa ou positiva de uma ação e seu resultado. Os neurorobôs podem e têm sido usados ​​para estudar interações éticas * simples *, como o experimento de pensamento clássico em que há mais pessoas do que um bote salva-vidas pode conter, e alguém deve deixar o barco para salvar o resto. No entanto, mais neurorrobôs usados ​​no estudo da seleção de ação enfrentam persuasões muito mais simples, como autopreservação ou perpetuação da população de robôs no estudo. Esses neurorrobôs são modelados a partir da neuromodulação de sinapses para estimular circuitos com resultados positivos. Em sistemas biológicos, neurotransmissores como a dopamina ou a acetilcolina reforçam positivamente os sinais neurais que são benéficos. Um estudo dessa interação envolveu o robô Darwin VII, que usava estímulos visuais, auditivos e simulados para "comer" blocos de metal condutores. Os blocos bons escolhidos arbitrariamente tinham um padrão listrado, enquanto os blocos ruins tinham uma forma circular. O sentido do sabor foi simulado pela condutividade dos blocos. O robô teve feedbacks positivos e negativos ao sabor com base em seu nível de condutividade. Os pesquisadores observaram o robô para ver como ele aprendeu seus comportamentos de seleção de ação com base nas entradas que tinha. Outros estudos usaram rebanhos de pequenos robôs que se alimentam de baterias espalhadas pela sala e comunicam suas descobertas a outros robôs.

Percepção sensorial

Os neurorobôs também têm sido usados ​​para estudar a percepção sensorial, particularmente a visão. Esses são principalmente sistemas que resultam da incorporação de modelos neurais de vias sensoriais em autômatos. Essa abordagem dá exposição aos sinais sensoriais que ocorrem durante o comportamento e também permite uma avaliação mais realista do grau de robustez do modelo neural. É bem sabido que as mudanças nos sinais sensoriais produzidos pela atividade motora fornecem pistas perceptivas úteis que são amplamente utilizadas pelos organismos. Por exemplo, os pesquisadores usaram as informações de profundidade que emergem durante a replicação da cabeça humana e dos movimentos dos olhos para estabelecer representações robustas da cena visual.

Robôs biológicos

Robôs biológicos não são oficialmente neurorrobôs, pois não são sistemas de IA de inspiração neurológica, mas tecido neuronal real conectado a um robô. Isso emprega o uso de redes neurais cultivadas para estudar o desenvolvimento do cérebro ou as interações neurais. Normalmente consistem em uma cultura neural criada em uma matriz multieletrodo (MEA), que é capaz de registrar a atividade neural e estimular o tecido. Em alguns casos, o MEA é conectado a um computador que apresenta um ambiente simulado ao tecido cerebral e traduz a atividade cerebral em ações na simulação, além de fornecer feedback sensorial. A capacidade de registrar a atividade neural dá aos pesquisadores uma janela para o cérebro, embora simples, que eles podem usar para aprender sobre vários dos mesmos problemas para os quais os neurorrobôs são usados.

Uma área de preocupação com os robôs biológicos é a ética. Muitas questões são levantadas sobre como tratar esses experimentos. Aparentemente, a questão mais importante é a da consciência e se o cérebro do rato a experimenta ou não. Essa discussão se resume às muitas teorias sobre o que é a consciência.

Veja Hybrot , consciência .

Implicações para a neurociência

Os neurocientistas se beneficiam dos neurorobóticos porque eles fornecem uma lousa em branco para testar vários métodos possíveis da função cerebral em um ambiente controlado e testável. Além disso, embora os robôs sejam versões mais simplificadas dos sistemas que emulam, eles são mais específicos, permitindo um teste mais direto do problema em questão. Eles também têm a vantagem de serem acessíveis o tempo todo, embora seja muito mais difícil monitorar até mesmo grandes partes do cérebro enquanto o animal está ativo, quanto mais neurônios individuais.

Com o tema da neurociência crescendo como está, vários tratamentos neurais surgiram, de produtos farmacêuticos à reabilitação neural. O progresso depende de uma compreensão complexa do cérebro e de como ele funciona exatamente. É muito difícil estudar o cérebro, especialmente em humanos, devido ao perigo associado às cirurgias cranianas. Portanto, o uso de tecnologia para preencher o vazio de assuntos testáveis ​​é vital. Os neurorobôs realizam exatamente isso, melhorando a gama de testes e experimentos que podem ser realizados no estudo de processos neurais.

Veja também

Referências

links externos