4-神經(jīng)機(jī)器人課件

4神經(jīng)機(jī)器人51、山氣日夕佳，飛鳥相與還。52、木欣欣以向榮，泉涓涓而始流。53、富貴非吾愿，帝鄉(xiāng)不可期。54、雄發(fā)指危冠，猛氣沖長(zhǎng)纓。55、土地平曠，屋舍儼然，有良田美池桑竹之屬，阡陌交通，雞犬相聞。4神經(jīng)機(jī)器人4神經(jīng)機(jī)器人51、山氣日夕佳，飛鳥相與還。52、木欣欣以向榮，泉涓涓而始流。53、富貴非吾愿，帝鄉(xiāng)不可期。54、雄發(fā)指危冠，猛氣沖長(zhǎng)纓。55、土地平曠，屋舍儼然，有良田美池桑竹之屬，阡陌交通，雞犬相聞。神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)研究介紹匯報(bào)要點(diǎn)1.研究背景2.當(dāng)前主要研究?jī)?nèi)容3.國(guó)內(nèi)外主要研究團(tuán)隊(duì)介紹4.擬展開的研究?jī)?nèi)容1.研究背景這樣的神經(jīng)系統(tǒng)能在考慮力學(xué)、氣壓、電磁或者任何其他物理形式的機(jī)械設(shè)備中或者虛擬驅(qū)動(dòng)裝置中得到實(shí)際應(yīng)用。這包括機(jī)器人、假肢、穿戴式系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，也包括小規(guī)模的微機(jī)械裝置和大規(guī)模的裝置（furniture）和基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructures）。1.研究背景神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)是不同研究方向的匯合點(diǎn)，這些研究方向從20世紀(jì)80年代和90年代就已經(jīng)從原有學(xué)科中分離出來。形成了以下研究方向。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)模型：這些模型描述的是神經(jīng)系統(tǒng)但沒有得到具體應(yīng)用用于實(shí)踐的發(fā)育機(jī)器人系統(tǒng)：得到了具體應(yīng)用，機(jī)器人富有自主性，但不是類腦機(jī)器人雜種生物人工系統(tǒng)：作為具體的神經(jīng)系統(tǒng)，但是幾乎沒有自主性1.研究背景近一些年來，上述這幾個(gè)方向的研究都取得了很大的進(jìn)展。大多數(shù)高級(jí)計(jì)算機(jī)現(xiàn)在均能仿真大型且逼真的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，在這種外成機(jī)器人上進(jìn)行了一些有前景的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)孤立任務(wù)使用傳統(tǒng)方式的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到神經(jīng)系統(tǒng)開放的成長(zhǎng)軌跡上。早期在雜種系統(tǒng)上的研究都關(guān)注對(duì)共生的生物—人工系統(tǒng)的研究，而該系統(tǒng)在更早以前僅僅在科幻小說中出現(xiàn)過。1.研究背景神經(jīng)機(jī)器人最大的挑戰(zhàn)是建立一個(gè)有事實(shí)依據(jù)的具體實(shí)驗(yàn)科學(xué)。單獨(dú)地講，神經(jīng)系統(tǒng)傾向于表現(xiàn)出切實(shí)通用、可塑和功能齊全的特點(diǎn)。然而，一旦神經(jīng)系統(tǒng)用于實(shí)踐且與所給內(nèi)部或者外部的環(huán)境形成某種聯(lián)系，那么他們會(huì)得到具體化且能適應(yīng)這種環(huán)境。神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)通過用實(shí)驗(yàn)變量表示神經(jīng)系統(tǒng)和具體環(huán)境這一新方法來理解神經(jīng)系統(tǒng)與環(huán)境相互作用的過程。1.研究背景上世紀(jì)50年代以來，機(jī)器人基本上被看成固定的軀體，在軀體上能植入不同的程序，就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)的軟件與硬件一樣。二元論已使兩類人（建立智能程序的人工智能研究者、構(gòu)建精細(xì)身體的機(jī)器人專家）之間產(chǎn)生了一種走向極端的分歧。1.研究背景在上世紀(jì)80年代，少數(shù)研究人員盡力從當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的技術(shù)死胡同解脫出來，以具體化的人工智能或者新人工智能的名義提出了智能重新組合的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為軀體和控制系統(tǒng)從本質(zhì)上來講是不分家的，好比同一硬幣的兩面。1.研究背景恢復(fù)對(duì)完整智能體的設(shè)計(jì)確實(shí)使人們?nèi)〉昧艘恍┏删停@些成就能比較明顯地體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)、感覺運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)和在未知復(fù)雜環(huán)境中的導(dǎo)航方面。然而，即使這種整體性的方法證明它對(duì)復(fù)雜適應(yīng)性行為的設(shè)計(jì)是有效的，他們也不足以能對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)進(jìn)步過程進(jìn)行透徹的說明。1.研究背景例如，在小孩幾個(gè)月大時(shí)，他們學(xué)會(huì)爬、站立、行走、跳躍、蹦跳、奔跑等等。當(dāng)他們以持續(xù)遞增的方式學(xué)會(huì)這些新技能后，他們?cè)诟杏X運(yùn)動(dòng)空間上的變化使自己去嘗試探索新的領(lǐng)域。人的這種能力在使用工具或者獲取交流技能方面會(huì)體現(xiàn)的更明顯。1.研究背景據(jù)此，發(fā)育和外成機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的很多研究者提出了一系列模型，在這些模型中智能體一方面基本上是一個(gè)中心的組合體，另一方面包括一套使其發(fā)育的穩(wěn)定過程以及一套實(shí)時(shí)變化的可變體包膜（variablebodyenvelopes）。這種新觀點(diǎn)推翻了傳統(tǒng)的固定身體的觀點(diǎn)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：在體內(nèi)不同的軟件可以被用來構(gòu)建一個(gè)固定身體的軟件，這個(gè)固定軟件能用在不同的智能體上，可能也能隨時(shí)發(fā)生變化。1.研究背景神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了我們對(duì)以下問題的理解：神經(jīng)元學(xué)習(xí)動(dòng)力；作為物理化身的機(jī)器人與環(huán)境因素的交互如何影響機(jī)器人系統(tǒng)在特殊方式下的成長(zhǎng)軌跡；同時(shí)，在一些情況下導(dǎo)致機(jī)器人對(duì)技能的開放式習(xí)得，但在其他情況下又表現(xiàn)出異常的成長(zhǎng)軌跡。1.研究背景此外，神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)有望為一個(gè)新品種的自我發(fā)育裝置提供技術(shù)支持，該機(jī)器人也能以連續(xù)的以及開放性的方式獲取新的特有技能。對(duì)自我發(fā)育裝置設(shè)計(jì)方式的理解以及這些裝置對(duì)我們?nèi)粘；顒?dòng)的影響是今后幾年的研究重點(diǎn)。2.當(dāng)前主要研究?jī)?nèi)容2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究2.2硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)2.3數(shù)據(jù)獲取與處理2.4綜合研究2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究自主心智發(fā)育。如連接主義網(wǎng)絡(luò)、人工強(qiáng)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模型。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)微電路的數(shù)學(xué)建模與大規(guī)模仿真。2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究真實(shí)生物系統(tǒng)研究。如：體內(nèi)和體外的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面。神經(jīng)元學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)生物學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視覺功能和運(yùn)動(dòng)功能組合記憶的障礙與擾亂正常記憶系統(tǒng)的方法重新構(gòu)造心智能力逐漸喪失的狀態(tài)的方法對(duì)神經(jīng)組織如何退化或者處理這種退化的研究神經(jīng)元學(xué)習(xí)和記憶經(jīng)驗(yàn)的方法2.2硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)多電極陣列技術(shù)，如神經(jīng)元集成的涂層方法等神經(jīng)元與機(jī)器人之間通信的聲納設(shè)備設(shè)計(jì)與開發(fā)熒光成像技術(shù)神經(jīng)活動(dòng)高速成像技術(shù)機(jī)器人硬件設(shè)備開發(fā)多電級(jí)陣列培養(yǎng)的生命保障系統(tǒng)（軟件與硬件設(shè)備）2.3數(shù)據(jù)獲取與處理實(shí)時(shí)神經(jīng)信號(hào)獲取與處理（時(shí)延與光學(xué)記錄）實(shí)時(shí)機(jī)器人視覺信息獲取與處理、相關(guān)記錄和處理軟件的開發(fā)3.國(guó)內(nèi)外主要研究團(tuán)隊(duì)介紹3.1英國(guó)雷丁大學(xué)DrBenWhalley博士和KevinWarwick教授團(tuán)隊(duì)3.2美國(guó)喬治亞州理工學(xué)院神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室Potter研究組3.1英國(guó)雷丁大學(xué)DrBenWhalley博士和KevinWarwick教授團(tuán)隊(duì)該團(tuán)隊(duì)于2008年8月開出了一款由人工培養(yǎng)的神經(jīng)元組成的生物大腦控制的機(jī)器人。這個(gè)世界領(lǐng)先的研究是檢驗(yàn)記憶如何出現(xiàn)在大腦中，以及大腦如何儲(chǔ)存某些信息的第一步。3.1英國(guó)雷丁大學(xué)DrBenWhalley博士和KevinWarwick教授團(tuán)隊(duì)研究的最終目標(biāo)是更好地了解腦部開發(fā)，并了解影響腦部的疾病和使腦部混亂的原因，如阿爾茨海默氏疾病、帕金森氏癥、中風(fēng)和腦損傷。3.1英國(guó)雷丁大學(xué)DrBenWhalley博士和KevinWarwick教授團(tuán)隊(duì)這個(gè)機(jī)器人的生物大腦由人工培養(yǎng)的神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元被放置在一個(gè)多電極陣列（MEA）中。MEA是一個(gè)大約有60個(gè)電極的碟形天線，可以接收細(xì)胞發(fā)出的電流信號(hào)。然后，這些信號(hào)被用來控制機(jī)器人的動(dòng)作。每當(dāng)機(jī)器人接近一個(gè)物體的時(shí)候，信號(hào)就會(huì)通過電極來刺激大腦。3.1英國(guó)雷丁大學(xué)DrBenWhalley博士和KevinWarwick教授團(tuán)隊(duì)為了回應(yīng)刺激，大腦輸出信號(hào)來控制機(jī)器人雙腿左右行動(dòng)，從而避免撞到物體。而不需要人工或計(jì)算機(jī)再對(duì)機(jī)器人施加任何控制，唯一可以控制它的就是它自己的“大腦”。3.1英國(guó)雷丁大學(xué)DrBenWhalley博士和KevinWarwick教授團(tuán)隊(duì)研究人員現(xiàn)在正努力讓機(jī)器人適應(yīng)不同的信號(hào)，學(xué)習(xí)如何運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置。希望在這一學(xué)習(xí)過程中，能夠見證當(dāng)機(jī)器人再次進(jìn)入一個(gè)熟悉的區(qū)域時(shí)，記憶如何出現(xiàn)在大腦中。KevinWarwick的評(píng)價(jià)這項(xiàng)新研究是非常振奮人心的，因?yàn)槭紫龋锎竽X可以控制機(jī)器人的身體移動(dòng)，其次，能夠讓我們研究大腦如何學(xué)習(xí)并記憶下經(jīng)驗(yàn)。這個(gè)研究將推進(jìn)我們對(duì)大腦如何工作的理解，并且能對(duì)科學(xué)和醫(yī)學(xué)的眾多領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。BenWhalley博士的評(píng)價(jià)當(dāng)前科學(xué)家們面臨的基本問題之一，就是如何把單個(gè)的神經(jīng)元活動(dòng)與我們?cè)谡麄€(gè)有機(jī)體中看到的復(fù)雜行為聯(lián)系在一起。這個(gè)項(xiàng)目為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，可以了解到能夠顯示復(fù)雜行為，但是，仍然與單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)有密切關(guān)系的一些東西。希望我們可以利用這些發(fā)現(xiàn)來從某種程度上回答這些最基本問題中的一部分。3.2美國(guó)喬治亞州理工學(xué)院神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室Potter研究組研究基本情況Potter研究組主要研究體外學(xué)習(xí)和記憶的新神經(jīng)科學(xué)技術(shù)。他們?cè)诙嚯姌O陣列中的培養(yǎng)液里促進(jìn)哺乳動(dòng)物腦細(xì)胞的成長(zhǎng)，以便在培養(yǎng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)之間形成一種長(zhǎng)期的雙向接口。這種培養(yǎng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)能作為仿真動(dòng)物機(jī)器人或者機(jī)器人的“大腦”。研究基本情況這種機(jī)器人簡(jiǎn)稱雜交機(jī)器人，即生命體和機(jī)器部件組成的雜交生物體。通過重組培養(yǎng)液中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來允許他們?nèi)ケ硎灸撤N行為，也有望通過與他們所處環(huán)境的交互來進(jìn)行學(xué)習(xí)。研究基本情況該研究組結(jié)合光學(xué)顯微鏡使用記錄和刺激的方法來研究分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)和神經(jīng)可塑性。他們使用雙光子熒光延時(shí)成像和電壓敏感的光學(xué)膜層探針上神經(jīng)活動(dòng)的高速成像來對(duì)功能和形態(tài)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行結(jié)合與分析。研究目標(biāo)在生物體外記錄神經(jīng)信號(hào)和在體內(nèi)刺激神經(jīng)組織的技術(shù)；開發(fā)伴有神經(jīng)附著劑和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)特性的神經(jīng)元集成涂層；在多電極陣列上進(jìn)行長(zhǎng)期的神經(jīng)元培養(yǎng)來研究他們的可塑性和學(xué)習(xí)謝謝大