תכנון ויישום מערכת עצבים בסימולציות לגו רובוטים
Summary
גישה לדוגמנות רשת עצבית על פלטפורמת גו Mindstorms רובוטיקה מוצגת. השיטה מספקת כלי סימולציה למחקר מדעי המוח בשתי חוליות מעבדת המחקר והכיתה. טכניקה זו מאפשרת חקירה של עקרונות בקרת רובוט biomimetic.
Abstract
אנו מציגים שיטה להשתמש בפלטפורמת הרובוטיקה LEGO Mindstorms NXT זמינה מסחרי כדי לבדוק את מערכות השערות מדעי המוח ברמה. הצעד הראשון של השיטה הוא לפתח מערכת עצבים סימולציה של התנהגויות רפלקסיביות ספציפיות של אורגניזם מודל מתאים, כאן אנו משתמשים בלובסטר האמריקאי. רפלקסים Exteroceptive תיווך decussating (מעבר) קשרים עצביים יכולים להסביר מוניות של בעלי חיים לכיוון או הרחק מגירוי כפי שתואר על ידי Braitenberg והם בעיקר מתאימים לחקירה באמצעות פלטפורמת NXT. 1 הסימולציה מערכת העצבים מתוכנת באמצעות תוכנת LabVIEW בגו פלטפורמת Mindstorms. ברגע שמערכת העצבים היא מכוונת כמו שצריך, ניסויים התנהגותיים מנוהלים על הרובוט ועל בעלי החיים בתנאים סביבתיים זהים. על ידי שליטה בסביבה החושית שחווים את הדגימות, ניתן לראות הבדלים בפלטים התנהגותיים. הבדלים אלה עשויים להצביע על ספציפי deficiencies במודל מערכת העצבים ומשמש להודיע איטרציה של המודל להתנהגות מסוימת תחת מחקר. שיטה זו מאפשרת למניפולציה הניסויית של מערכת עצבים אלקטרונית ומשמשת כדרך לחקור השערות מדעי המוח באופן ספציפי בנוגע לבסיס neurophysiological של התנהגויות רפלקסיביות מולדות פשוטות. לגו Mindstorms NXT הערכה מספקת פלטפורמה נוח ויעילה שעליו לבדוק את תוכניות בקרת רובוט biomimetic ראשוניות. הגישה היא גם מתאימה מאוד לכיתה בבית הספר הגבוהה לשמש כבסיס לידות על חקירה המבוססת על תכנית לימודים biorobotics.
Introduction
חקירות neurophysiological במהלך 100 השנים האחרונות הרחיבו מאוד את הידע של מבנה מערכת עצבים ובתפקוד שלנו. עם זאת, הרוב המכריע של מחקר מערכת עצבים עד כה הסתמך על השימוש בתכשירים בודדים או נושאים מאופקים. אמנם יש כבר הרבה מאמצים מוצלחים להקלטת פעילות עצבית מהתנהגות בעלי חיים 2-5 באופן חופשי, גישת biorobotic מספקת כלי רב ערך כדי לאפשר למניפולצית מערכת עצבים על מנת לבדוק מערכות השערות מדעי המוח ברמת 6. מערכות עצבים מדומה הפועלות על רובוטים ניתן להשפיע באופן ניסיוני ולאפשר הרחבה של תוכנת מודלים לעולם הפיזי. גישה זו יושמה גם בעולם האקדמי 7,8 אבל בתהליך של בניית רובוט biomimetic לבדיקת השערה יכול להיות יקר זמן רב. אנו מציגים שיטה לביצוע גישת biorobotic באמצעות רובוטיקה K זמין מסחריזה (לגו Mindstorms NXT 2.0). המטרה של שיטה זו היא לספק דרך מהירה ויעילה לבדיקת מערכות ברמת השערות מדעי המוח ברובוטית או 9 סימולציות רשת עצביות ביולוגיות היברידיות 10 גלומות. מאיץ את התהליך מהשערה לניסוי משפר את הפרודוקטיביות מחקר. פלטפורמת Mindstorms לגו פשוט מספקת מיטת בדיקה לחיישני biomimetic ורשתות עצביות שבו אנו מדגימים באמצעות לובסטר האמריקאי (Homarus americanus) כאורגניזם מודל. השיטה מספקת גם עוצמה הידיים על כלי חינוכי בכיתה כתלמידים יכולים לתכנן ולתפעל מערכות עצבים לרובוטים 11 משלהם.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעת ביצוע ניסויי סימולציה של מערכת עצבים biorobotic, ישנם כמה קווים מנחים חשובים לעקוב. בחירת אורגניזם המודל הנכון היא קריטית: לאסוף האורגניזם שהוא קל להשגה ולתחזוקה. חסרי חוליות הן אידיאליים, כי הם בדרך כלל לא דורשים את אישור מוסדי לניסויים ולצרכי הגידול בעלי הם לעתים קר?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לד"ר כריס רוג'רס (אוניברסיטת טאפטס) לקבלת הצעות תכנות וכתב יד. אנו מודים לאלכס ג'וליאנו ודבורה לי לתמיכת הפקת וידאו.
מימון הניתן על ידי NSF בוגרת מלגת מחקר וmuri ONR בביולוגיה סינטטי.
Referências
- Braitenberg, V. Taxis, kinesis and decussation. Prog. in Brain Res. 17, 210-222 (1965).
- Schregardus, D. S., Pieneman, A. W., Ter Maat, A., Jansen, R. F., Brouwer, F., Gahr, M. L. A lightweight telemetry system for recording neuronal activity in freely behaving small animals. Journal of Neuroscience Methods. 155 (1), 62-71 (2006).
- Kagaya, K., Takahata, M. Readiness discharge for spontaneous initiation of walking in crayfish. Journal of Neuroscience. 30 (4), 1348-1362 (2010).
- Schrameck, J. E. Crayfish Swimming: Alternating Motor Output and Giant Fiber Activity. Science. 169 (3946), 698-700 (1970).
- Kanz, J. E., Eberly, L. B., Cobbs, J. S., Pinsker, H. M. Neuronal correlates of siphon withdrawal in freely behaving Aplysia. J. Neurophysiol. 42 (6), 1538-1556 (1979).
- Webb, B. Validating biorobotic models. Journal of Neural Engineering. 3, 1-20 (2006).
- Wessnitzer, J., Asthenidis, A., Petrou, G., Webb, B. A cricket-controlled robot orienting towards a sound source. Proceedings of the 12th Annual conference on Towards autonomous robotic systems. , 1-12 (2011).
- Grasso, F., Atema, J. Integration of flow and chemical sensing for guidance of autonomous marine robots in turbulent flows. Environ. Fluid Mech. 2 (1), 95-114 (2002).
- Westphal, A., Rulkov, N. F., Ayers, J., Brady, D., Hunt, M. Controlling a lamprey-based robot with an electronic nervous system. Smart Struct. and Systems. 8 (1), 39-52 (2011).
- Chao, Z. C., Bakkum, D. J., Potter, S. M. Shaping embodied neural networks for adaptive goal-directed behavior. PLoS Computational Biology. 4 (3), e1000042 (2008).
- Blustein, D., Schultheis, K., Ayers, J. Building nervous systems for robots: an interactive and collaborative neuroscience curriculum. , (2011).
- Ayers, J., Blustein, D., Westphal, A. A Conserved Biomimetic Control Architecture for Walking, Swimming and Flying Robots. Lect. Notes on Artif. Intelli. 7375, 1-12 (2012).
- Cowan, N., Ma, E., Cutkosky, M., Full, R. A Biologically Inspired Passive Antenna for Steering Control of a Running Robot. , 541-550 (2003).
- Gasperi, M., Hurbain, P. . Extreme NXT: Extending the LEGO MINDSTORMS NXT to the Next Level. , (2007).
- Gasperi, M. . LabVIEW for LEGO MINDSTORMS NXT. , (2008).
- Kennedy, D., Davis, W. Chapter 27 Organization of invertebrate motor systems. Handbook of Physiology. 1, 1023-1088 (1977).
- Buchanan, J., Grillner, S. Newly identified “glutamate interneurons” and their role in locomotion in the lamprey spinal cord. Science. 236 (4799), 312-314 (1987).
- Rulkov, N. Modeling of spiking-bursting neural behavior using two-dimensional map. Physical Review E. 65, (2002).
- Derby, C. D., Atema, J. Narrow-spectrum chemoreceptor cells in the walking legs of the lobster, Homarus americanus: Taste specialists. Journal of Comparative Physiology A. 146 (2), 181-189 (1982).
- Tort, A. B. L., Neto, W. P., Amaral, O. B., Kazlauckas, V., Souza, D. O., Lara, D. R. A simple webcam-based approach for the measurement of rodent locomotion and other behavioural parameters. Journal of Neuroscience Methods. 157 (1), 91-97 (2006).
- Huxley, T. H. . The Crayfish, An Introduction to the Study of Zoology. , (1880).
- Blustein, D., Ayers, J. A conserved network for control of arthropod exteroceptive optical flow reflexes during locomotion. Lect. Notes on Artif. Intelli. 6226, 72-81 (2010).
- Webb, B., Scutt, T. A simple latency-dependent spiking-neuron model of cricket phonotaxis. Biological Cybernetics. 82 (3), 247-269 (2000).
- Demarse, T. B., Wagenaar, D. A., Blau, A. W., Potter, S. M. The Neurally Controlled Animat: Biological Brains Acting with Simulated Bodies. Autonomous Robots. 11 (3), 305-310 (2001).
- Novellino, A., D’Angelo, P., Cozzi, L., Chiappalone, M., Sanguineti, V., Martinoia, S. Connecting neurons to a mobile robot: an in vitro bidirectional neural interface. Computational Intelligence and Neuroscience. , 12725 (2007).
