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摘要近年來,機(jī)器人作為社交伙伴融入生物系統(tǒng),已經(jīng)成為研究動(dòng)物行為與神經(jīng)內(nèi)在機(jī)制的重要工具,可以作為觀察者和刺激物與動(dòng)物互動(dòng),探索個(gè)體或集群動(dòng)物如何對(duì)受控的環(huán)境變化做出反應(yīng),甚至能夠跨物種和生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院石青教授團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人-動(dòng)物交互領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,12月5日,研究成果以“通過類鼠機(jī)器人調(diào)節(jié)大鼠情緒狀態(tài)(Modulating emotional states of rats through a rat-like robot with learned interaction patterns)”為題,以研究長(zhǎng)文(Research Article)形式在線發(fā)表于自然子刊《自然·機(jī)器智能》 (Nature Machine Intelligence)。該成果首創(chuàng)了一種機(jī)器人-大鼠社交范式(圖1),展示了獨(dú)特的社交學(xué)習(xí)技能,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與動(dòng)物長(zhǎng)時(shí)、重復(fù)和可控的開放式互動(dòng),克服了生物系統(tǒng)內(nèi)自然社會(huì)交互的局限性,為理解人類與人工智能之間的“社會(huì)”互動(dòng)提供新思路。
 
  機(jī)電學(xué)院石青教授為論文通訊作者,機(jī)電學(xué)院博士生賈廣祿為論文第一作者,北京理工大學(xué)是該論文第一完成單位,相關(guān)工作由機(jī)電學(xué)院與德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作完成。
 
圖1 類鼠機(jī)器人通過多種學(xué)到的交互模式與大鼠互動(dòng)并調(diào)節(jié)其情緒狀態(tài)
 
  近年來,機(jī)器人作為社交伙伴融入生物系統(tǒng),已經(jīng)成為研究動(dòng)物行為與神經(jīng)內(nèi)在機(jī)制的重要工具,可以作為觀察者和刺激物與動(dòng)物互動(dòng),探索個(gè)體或集群動(dòng)物如何對(duì)受控的環(huán)境變化做出反應(yīng),甚至能夠跨物種和生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞。這種生物混合系統(tǒng)帶來了可控性,有助于闡明通過傳統(tǒng)技術(shù)無法揭示的潛在生物智能。然而,交互機(jī)器人仍然難以在生物系統(tǒng)中傳達(dá)多層異質(zhì)信息,有效調(diào)節(jié)復(fù)雜的交互過程面臨著巨大挑戰(zhàn):首先,與動(dòng)物交流需要整合多種感官感知;其次,模仿多樣的復(fù)雜行為對(duì)于融入動(dòng)物群體至關(guān)重要;此外,如何直接改變動(dòng)物的內(nèi)部狀態(tài)(如情緒)尚未深入探索。目前,仍缺乏全面的解決方案。
 
  從大鼠的解剖結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和社交互動(dòng)中獲得靈感,該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款小型類鼠交互機(jī)器人。通過關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)映射模型,設(shè)計(jì)了高靈活多關(guān)節(jié)脊柱,具有幾乎與大鼠運(yùn)動(dòng)極限一致的運(yùn)動(dòng)空間,解決了機(jī)器人的復(fù)雜社交姿態(tài)表達(dá)難題;趧(dòng)物演示的模仿學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了四種社會(huì)行為模板生成,學(xué)習(xí)到的行為可以表現(xiàn)出大鼠的運(yùn)動(dòng)特征,具有高相對(duì)動(dòng)態(tài)范圍指數(shù)和高動(dòng)態(tài)相似性。與國(guó)際同類機(jī)器人相比,在移動(dòng)速度、體長(zhǎng)、仿生外觀、運(yùn)動(dòng)能力等方面更接近大鼠,綜合性能更優(yōu)(圖2)。
 
圖2 類鼠機(jī)器人模仿大鼠典型社會(huì)行為
 
  團(tuán)隊(duì)建立了可自定義交互規(guī)則的自動(dòng)控制系統(tǒng),突破了視覺感知、目標(biāo)跟蹤和行為決策等多項(xiàng)核心技術(shù),使機(jī)器人能夠根據(jù)預(yù)定義的任務(wù)目標(biāo)與大鼠自主交互,大大提高了交互效率,實(shí)現(xiàn)了半小時(shí)內(nèi)平均30次持續(xù)互動(dòng)。進(jìn)一步,通過三種預(yù)設(shè)的交互模式與大鼠進(jìn)行持續(xù)半小時(shí)不知疲倦的互動(dòng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明大鼠可以區(qū)分不同的機(jī)器人的意圖和活動(dòng)并做出相應(yīng)的行為和聲學(xué)反應(yīng)。特別是,機(jī)器人按住大鼠時(shí)(pinning)使其處于一種消極的情緒狀態(tài);機(jī)器人攀壓或鼻尖接觸大鼠時(shí)(pouncing和social nose contact)使其處于一種積極的情緒狀態(tài)。這項(xiàng)工作有望幫助揭示感官感知、行為決策和內(nèi)部狀態(tài)之間復(fù)雜的相互作用,以及這些決策或預(yù)測(cè)背后的大腦功能和神經(jīng)回路機(jī)制。
 
圖3 與類鼠機(jī)器人社交互動(dòng)實(shí)驗(yàn)后的大鼠表現(xiàn)出不同行為和聲學(xué)反應(yīng)
 
  團(tuán)隊(duì)未來將繼續(xù)探索使用多種感知反饋和行為模式在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)控制大鼠的內(nèi)部狀態(tài),擴(kuò)展行為模式的“學(xué)習(xí)空間”,并泛化到更大的群體,助力機(jī)器人、行為神經(jīng)科學(xué)和可解釋的人工智能發(fā)展。
 
  附團(tuán)隊(duì)介紹:
 
  北理工微小型仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)依托機(jī)電學(xué)院,面向世界前沿,在微小型仿生機(jī)器設(shè)計(jì)、感知、控制等方面已開展了一系列研究,相關(guān)成果發(fā)表在Nature Machine Intelligence、PNAS、IEEE Transactions on Robotics等國(guó)際知名期刊。

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