From insect to robot walking: A biorobotics investigation into network topology

Beck Strohmer

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

102 Downloads (Pure)

Abstract

Dyrs evne til at gå kræver koordinering af mange frihedsgrader. Denne koordinering kan være drevet af sensorisk feedback, netværksarkitektur eller højst sandsynligt en kombination af begge. Rytmegenererende kredsløb som kaldes for ”central pattern generators” (CPGer) er almindeligt accepteret som den neurale mekanisme, der driver oscillerende output til antagonistiske muskelpar. Outputtet fra disse kredsløb tilpasses af sensorisk tilbagekobling, der muliggør bevægelse i forskellige miljøer. Den nøjagtige netværksarkitektur af disse neurale kredsløb og hvordan de kommunikerer er dog ikke veldefineret. Her præsenterer vi en netværkstopologi for CPGer, der er i stand til at replikere biologisk adfærd, og en mekanisme til løst at koble disse kredsløb for at fremme koordination. For at bevare den biologiske plausibilitet overholder vi en struktureret metode til at udvikle vores netværk ved at bruge en bottom­up tilgang begrænset af biologiske parametre og sammenligne output med biologiske målinger. Baseret på denne tilgang finder vi, at ”non­spiking interneurons” (NSIer), der kommunikerer gennem et gradueret signal, spiller en central rolle inden for spiking neurale netværk (SNNer), hvilket øger den biologiske plausibilitet og giver fordele i styringen af robotter med ben. Dette adskiller sig fra det nuværende kontrolparadigme, der bruger homogene neurale netværk bestående af kun én neuron type. Vi observerer, at NSIs kan bruges til kontinuerligt at manipulere netværksoutput samt forbinde spiking­populationer, mens de isolerer deres dynamik. Dette introducerer et potentielt fundamentalt princip for neurofysiologi, at NSIs er nødvendige for at forbinde spiking­populationer og samtidig undgå ustabilitet skabt af konkurrerende netværksdynamikker. Denne adskillelse af dynamik er også nyttig i robotteknologi, og præsenterer en ny metode til at bygge controllere til distribuerede og modulære netværk. Fra et bredere perspektiv øger tilføjelsen af NSIer til SNNer den biologiske realisme, så biologiske hypoteser kan testes med neurale netværkssimuleringer, hvilket giver et kontrolleret og reproducerbart testmiljø.
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Manoonpong, Poramate, Hovedvejleder
  • Larsen, Leon Bonde, Bivejleder
Udgiver
DOI
StatusUdgivet - 7. apr. 2022

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'From insect to robot walking: A biorobotics investigation into network topology'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater