La bioroboticaproblemi epistemologici e metodologici

Edoardo Datteri – edoardo.datteri@unimib.it

Understanding the brain by creating the

brain (Mitsuo Kawato)

� the only possible methodology to fully understand how the brain works is to build or reconstruct artificial systems that can realize artificial systems that can realize brain functions. We call this approach “Understanding the Brain by Creating the Brain”

� Humanoid Robots as a Neuroscience Tool

Le antenne dell’aragosta

A new kind of science

simple programs can produce a high level of complexity. […] such programs can reproduce many features of biological organisms - and for example seem to capture some of the essential mechanisms through which genetic programs manage to generate the actual biological forms we see. So this means that it becomes possible see. So this means that it becomes possible to make a wide range of new models for biological systems [… ] And insofar as there are general principles for simple programs, these principles should also apply to biological organisms - making it possible to imagine constructing new kinds of general abstract theories in biology.

Cibernetica e pre-cibernetica

La “tartaruga” di Grey Walter

I veicoli di Braitenberg

Roberto Cordeschi, The Discovery of the Artificial. Behavior, Mind and Machines Before and Beyond

Cybernetics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht(2002)

Pre-cibernetica: macchine fototropiche

Loeb (1900): spiegazione del Loeb (1900): spiegazione del comportamento fototropico delle falene

Hammond and Meissner, 1912

Esperimenti bionici

X

“Biologically inspired robotics”

sistemi robotici sistemi biologici

biorobotica

sistemi robotici adattativi

sistemi biologici adattativi

biologically inspired robotics

Questioni di fondo

� Siamo legittimati a trarre conclusioni teoriche sul funzionamento dei sistemi biologici a partire dall’analisi del funzionamento di loro simulazioni (robotiche)?

� Cosa possiamo “imparare” sul funzionamento dei sistemi biologici dall’analisi dei comportamenti robotici?

� Le simulazioni forniscono davvero un supporto alla spiegazionebiologica?

� Le simulazioni forniscono davvero un supporto alla scoperta di spiegazioni biologiche?

� Conosciamo davvero bene il funzionamento dei sistemi robotici che costruiamo?

Biorobotica: spiegazione e scoperta

� Cosa possiamo “imparare” sul funzionamento dei sistemi biologici dall’analisi dei comportamenti robotici?

� Le simulazioni forniscono davvero un supporto alla spiegazione biologica?spiegazione biologica?

� Le simulazioni forniscono davvero un supporto alla scoperta di spiegazioni biologiche?

Biorobotica, spiegazione e controllo

empirico

ipotesi biologicaprogetto di robot

robot

Biorobotica, spiegazione e controllo

empirico

� Confronti (analisi di somiglianze e differenze) tra i comportamenti robotici e quelli del sistema biologico, spesso in contesti sperimentali “reali” (fuori dal laboratorio)

Explaining the behaviour of the desert

ant Cataglyphis

Snapshot model . “According to this model, an insect records a panoramic snapshot image of the surroundings at the target position. When it has to return to this location, it compares this snapshot with its current retinal image in order to determine a home vector.”

Desert ants Cataglyphis make foraging excursions that take them up to 200m

away from their nest. On finding a suitable prey, they return home unfailingly and in a

straight line.

Cataglyphis takes snapshots of the visual landscape…

… and compares them with memorized reference landmarks, obtaining difference vectors

The “snapshot model”, first version (Cartwright and

Collett, 1986)

The ALV model

Testing the model on Sahabot

behavioral comparisons

Möller, R., Lambrinos, D., Pfeifer, R., Labhart, T., Wehner, R. (1998), “Modeling ant navigation with an autonomous agent”, in Pfeifer, R., Blumberg, B., Meyer, J.-A., Wilson, S.W. (eds.), From Animals To Animats 5, pp. 185-194.

The snapshot model is implemented on the robot Sahabot

“The high precision achieved in visual homing experi ments with the robot demonstrates that the strategies ass umed to

underlie insect navigation actually work in a real- world environment ”.

behavioral comparisons between Sahabot and

Cataglyphis

Biorobotica, spiegazione e controllo

empirico

� Somiglianze comportamentali

� il sistema biologico è governato dallo stesso meccanismo che controlla il funzionamento del robot

� … spiegazioni alternative

� Differenze significative tra i due comportamenti

� il sistema biologico non è governato dallo stesso meccanismo che controlla il funzionamento del robot

� … spiegazioni alternative

Spiegazioni biologiche e robotiche

� Ammettiamo la possibilità che i due sistemi (robotico e biologico) funzionino in base allo stesso meccanismo?

� Sì

� somiglianze (differenze) comportamentali possono sostenere l’ipotesi che il sistema biologico funziona (non funziona) sulla base dello stesso che il sistema biologico funziona (non funziona) sulla base dello stesso meccanismo che controlla il robot

� No

� “La simulazione coglie solo certi aspetti della realtà biologica”

� “La simulazione semplifica rispetto alla realtà biologica”

� “La simulazione è al più un’euristica per controllare la plausibilità delle teorie biologiche: i sistemi biologici non funzionano così nella realtà”

Biorobotica: non prendiamola sul serio

� “La simulazione è al più un’euristica per controllare la plausibilità delle teorie biologiche: i sistemi biologici non funzionano così nella realtà”

robot: versione distorta dell’ipotesi biologica

Adattamenti rispetto all’ipotesi biologica

� Perché non è disponibile hardware adeguato

Mancanza di sensori adatti a rilevare il tipo di segnali a cui le aragoste sono aragoste sono sensibili (Ishida et al. 2001)

RoboLobster (Grasso et al. 2000)

Adattamenti rispetto all’ipotesi biologica

� Per facilitare l’implementazione

Biologically Inspired Robotics Lab, Case Western Reserve University

Adattamenti rispetto all’ipotesi biologica

� Inserimento di componenti essenziali al buon funzionamento del sistema, ma non inclusi nell’ipotesi biologica (es: “goal cells” nel ratto robotico di O’Keefe e Burgess)

goal cells

algoritmo basato su region growing per l’estrazione di distanze

Robot e sistemi biologici: nessuna

analisi comune

� Questi erano adattamenti introdotti per motivazioni di carattere pratico

� Vi sono motivazioni di fondo per escludere che un sistema artificiale possa implementare lo stesso sistema artificiale possa implementare lo stesso meccanismo che regola il funzionamento dei sistemi biologici?

� … motivazioni che hanno a che fare con la distinzione tra la “natura biologica” e la “natura inorganica” dei due sistemi?

Simulazioni e sistemi biologici

� Che caratteristiche deve possedere un sistema robotico per implementare lo stesso meccanismo che regola il funzionamento di un sistema biologico?

ipotesi biologicaprogetto di robot

robot

Struttura delle spiegazioni biologiche

� Spiegare un comportamento: identificare il meccanismo che lo produce

� Elemento centrale della spiegazione: descrizione del spiegazione: descrizione del meccanismo

� Riferimento a parti del sistema

� Riferimento alle leggi che regolano il funzionamento di quelle parti e le loro interazioni

Meccanismi biologici e meccanismi

robotici

� Descrizione di un meccanismo biologico:

� Riferimento a parti del sistema

� Riferimento alle leggi che regolano il funzionamento di quelle parti e le loro interazioniparti e le loro interazioni

� Quali ragioni per escludere in linea di principio la possibilità che un sistema artificiale replichi fedelmente un meccanismo biologico?

Leggi biologiche e leggi artificiali

� “Le leggi menzionate nelle spiegazioni biologiche si riferiscono a componenti biologici, e non artificiali”

� Il riferimento a componenti biologici è effettivamente un elemento rilevante della spiegazione…

� … oppure la spiegazione vera e propria consiste � … oppure la spiegazione vera e propria consiste nell’identificare la “struttura meccanica” del sistema biologico?

Cibernetica e istanziazione multipla

� Spiegare in termini meccanici un comportamento significa formulare un modello teorico istanziabile in sistemi biologici e artificiali

� Idea discussa nel manifesto della cibernetica: Rosenblueth, Wiener e Bigelow 1943

modello teorico (astratto)

istanziazione biologica istanziazione artificiale

Searle, “Menti, cervelli e programmi”

� I see no reason in principle why we couldn't give a machine the capacity to understand English or Chinese, since in an important sense our bodies with our brains are precisely such machines. But I do see very strong arguments for saying that we could not give such a thing to a machine where the operation of the machine is defined solely in terms of computational processes over formally defined elements; that is, where the operation of the machine is defined as an instantiation of a computer program. the machine is defined as an instantiation of a computer program.

� It is not because I am the instantiation of a computer program that I am able to understand English and have other forms of intentionality, but as far as we know it is because I am a certain sort of organism with a certain biological (i.e. chemical and physical) structure, and this structure, under certain conditions, is causally capable of producing perception, action, understanding, learning, and other intentional phenomena.

Searle, “Menti, cervelli e programmi”

� “… could an artifact, a man-made machine think?"

� Assuming it is possible to produce artificially a machine with a nervous system, neurons with axons and dendrites, and all the rest of it, sufficiently like ours, again the answer to the question seems to be obviously, yes. If you can exactly question seems to be obviously, yes. If you can exactly duplicate the causes, you could duplicate the effects. And indeed it might be possible to produce consciousness, intentionality, and all the rest of it using some other sorts of chemical principles than those that human beings use. It is, as I said, an empirical question.