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Whiskers - how robots can learn from rats


Fend, Miriam Judith. Whiskers - how robots can learn from rats. 2006, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Abstract Autonomous agents have to rely on their senses to behave adaptively the real world. Tactile sensing can provide detailed and rich information on the immediate surroundings and is particularly valuable under conditions where vision fails. While humans do most of their tactile exploration with the highly sensitive fingertips, a wide range of animals has developed a sophisticated somatosensory organ for the same purpose, the whisker pad. It has been shown that the resolution of rats discriminating textures with their whiskers rivals that of primate fingertips. This amazing sensory power inspired us to build a mobile robot with an artificial whisker system which is presented in this thesis. Building a physical robot, we apply the synthetic methodology which has several important implications. One of the most important is that the robot has to move in the real world and therefore faces the same constraints as natural agents. Unlike in simulation, a physical agent is automatically subject to the physical laws and to noise, which are both hard to simulate with enough precision. Moreover, with the biologically inspired robot model, we can explore questions not readily available in animal experiments. At the same time, the synthetic methodology uncovers important issues which are taken for granted if only the final product of an evolutionary process, the animal, is considered. One example is the importance of sensory morphology for different behaviors. We investigate the relationship between task environment and whisker morphology as well as with different levels of adaptivity. Furthermore, the tactile power of this sensor is assessed by taking sensorimotor interactions into account. Active sensing is exploited to increase the discriminatory capacity of the whiskers, as well as a redundant array consisting of a rich variety of individual sensory hairs. Finally we present tactile behavior and discuss the conclusions drawn from our experiments with a real-world biorobotic model.
Zusammenfassung Um sich in der realen Welt adaptiv zu verhalten, müssen autonome Agenten über eigene sensorische Systeme verfügen. Der Tastsinn zum Beispiel liefert auch dann noch detaillierte und vielfältige hauptsächlich die Fingerspitzen für exploratives Tasten, während eine Vielfalt von Tieren dafür ein ausgefeiltes somatosenorisches Organ entwickelt hat, nämlich die Schnurrbarthaare. Es konnte gezeigt werden, dass Ratten mit ihren Schnurrbarthaaren die Rauigkeit von Texturen etwa gleich gut auflösen können, wie Primaten das mit ihren Fingerspitzen können. Diese eindrückliche sensorische Leistung hat uns inspiriert, einen beweglichen Roboter mit künstlichen Schnurrbarthaaren zu bauen, der der vorliegenden Arbeit zugrunde liegt. Indem wir einen physischen Roboter bauen, wenden wir die synthetische Methode an. Das hat bedeutende Auswirkungen: Eine der wichtigsten ist, dass der Roboter sich in der realen Welt bewegen muss und damit automatisch auch den gleichen Beschränkungen unterworfen ist, wie die natürlichen Agenten. Anders als in einer Simulation ist der Agent automatisch den physikalischen Gesetzen und Rauschen in den Sensoren ausgesetzt. Beides ist aufwändig zu simulieren. Ausserdem können wir mit dem biologisch-inspirierten Roboter Dinge untersuchen, die im Tierexperiment nicht angegangen werden können. Die synthetische Methode zeigt spannende Fragen auf, deren Lösung für selbstverständlich genommen wird, wenn nur das Endprodukt der Evolution, nämlich das fertige Tier, betrachtet wird. Ein Beispiel für solch eine Frage ist die Bedeutung der Sensormorphologie für unterschiedliche Verhaltensweisen. Wir untersuchen die wechselseitige Abhängigkeit zwischen der Morphologie der Schnurrbarthaare und den spezifischen Charakteristika verschiedener Aufgaben. Ausserdem betrachten wir unterschiedliche Ausprägungen von Adaptivität. In einem weiteren Schritt loten wir das Potential für taktile Wahrnehmung aus, wobei wir insbesondere die Bedeutung der sensomotorischen Interaktionen berücksichtigen. Aktive Wahrnehmung kann dazu ausgenutzt werden, die Unterscheidungsfähigkeit der Schnurrbarthaare zu erhöhen. Dazu tragen auch eine reiche Auswahl an individuellen sensorischen Haaren bei, die in einem redundanten Schnurrbarthaar-Array kombiniert sind. Abschliessend präsentieren wir taktiles Verhalten und diskutieren Schlussfolgerungen, die wir aus der Untersuchung dieses für die reale Welt konstruierten Bioroboter ziehen.

Abstract

Abstract Autonomous agents have to rely on their senses to behave adaptively the real world. Tactile sensing can provide detailed and rich information on the immediate surroundings and is particularly valuable under conditions where vision fails. While humans do most of their tactile exploration with the highly sensitive fingertips, a wide range of animals has developed a sophisticated somatosensory organ for the same purpose, the whisker pad. It has been shown that the resolution of rats discriminating textures with their whiskers rivals that of primate fingertips. This amazing sensory power inspired us to build a mobile robot with an artificial whisker system which is presented in this thesis. Building a physical robot, we apply the synthetic methodology which has several important implications. One of the most important is that the robot has to move in the real world and therefore faces the same constraints as natural agents. Unlike in simulation, a physical agent is automatically subject to the physical laws and to noise, which are both hard to simulate with enough precision. Moreover, with the biologically inspired robot model, we can explore questions not readily available in animal experiments. At the same time, the synthetic methodology uncovers important issues which are taken for granted if only the final product of an evolutionary process, the animal, is considered. One example is the importance of sensory morphology for different behaviors. We investigate the relationship between task environment and whisker morphology as well as with different levels of adaptivity. Furthermore, the tactile power of this sensor is assessed by taking sensorimotor interactions into account. Active sensing is exploited to increase the discriminatory capacity of the whiskers, as well as a redundant array consisting of a rich variety of individual sensory hairs. Finally we present tactile behavior and discuss the conclusions drawn from our experiments with a real-world biorobotic model.
Zusammenfassung Um sich in der realen Welt adaptiv zu verhalten, müssen autonome Agenten über eigene sensorische Systeme verfügen. Der Tastsinn zum Beispiel liefert auch dann noch detaillierte und vielfältige hauptsächlich die Fingerspitzen für exploratives Tasten, während eine Vielfalt von Tieren dafür ein ausgefeiltes somatosenorisches Organ entwickelt hat, nämlich die Schnurrbarthaare. Es konnte gezeigt werden, dass Ratten mit ihren Schnurrbarthaaren die Rauigkeit von Texturen etwa gleich gut auflösen können, wie Primaten das mit ihren Fingerspitzen können. Diese eindrückliche sensorische Leistung hat uns inspiriert, einen beweglichen Roboter mit künstlichen Schnurrbarthaaren zu bauen, der der vorliegenden Arbeit zugrunde liegt. Indem wir einen physischen Roboter bauen, wenden wir die synthetische Methode an. Das hat bedeutende Auswirkungen: Eine der wichtigsten ist, dass der Roboter sich in der realen Welt bewegen muss und damit automatisch auch den gleichen Beschränkungen unterworfen ist, wie die natürlichen Agenten. Anders als in einer Simulation ist der Agent automatisch den physikalischen Gesetzen und Rauschen in den Sensoren ausgesetzt. Beides ist aufwändig zu simulieren. Ausserdem können wir mit dem biologisch-inspirierten Roboter Dinge untersuchen, die im Tierexperiment nicht angegangen werden können. Die synthetische Methode zeigt spannende Fragen auf, deren Lösung für selbstverständlich genommen wird, wenn nur das Endprodukt der Evolution, nämlich das fertige Tier, betrachtet wird. Ein Beispiel für solch eine Frage ist die Bedeutung der Sensormorphologie für unterschiedliche Verhaltensweisen. Wir untersuchen die wechselseitige Abhängigkeit zwischen der Morphologie der Schnurrbarthaare und den spezifischen Charakteristika verschiedener Aufgaben. Ausserdem betrachten wir unterschiedliche Ausprägungen von Adaptivität. In einem weiteren Schritt loten wir das Potential für taktile Wahrnehmung aus, wobei wir insbesondere die Bedeutung der sensomotorischen Interaktionen berücksichtigen. Aktive Wahrnehmung kann dazu ausgenutzt werden, die Unterscheidungsfähigkeit der Schnurrbarthaare zu erhöhen. Dazu tragen auch eine reiche Auswahl an individuellen sensorischen Haaren bei, die in einem redundanten Schnurrbarthaar-Array kombiniert sind. Abschliessend präsentieren wir taktiles Verhalten und diskutieren Schlussfolgerungen, die wir aus der Untersuchung dieses für die reale Welt konstruierten Bioroboter ziehen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Pfeifer Rolf, Engel Andreas
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2006
Deposited On:20 Jun 2019 11:18
Last Modified:15 Apr 2021 14:58
Number of Pages:157
OA Status:Green

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Language: English
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