北理工團(tuán)隊在機(jī)器人-動物交互領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-12-06 供稿：機(jī)電學(xué)院 攝影：機(jī)電學(xué)院
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北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院石青教授團(tuán)隊在機(jī)器人-動物交互領(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，以長文（ 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）,，展示了獨特的社交學(xué)習(xí)技能，實現(xiàn)了機(jī)器人與動物長時,、重復(fù)和可控的開放式互動,，克服了生物系統(tǒng)內(nèi)自然社會交互的局限性，為理解人類與人工智能之間的“社會”互動提供新思路,。
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)院與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊合作完成,。
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物互動，探索個體或集群動物如何對受控的環(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)雜行為對于融入動物群體至關(guān)重要；此外,，如何直接改變動物的內(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),、動態(tài)運動和社交互動中獲得靈感，該團(tuán)隊開發(fā)了一款小型類鼠交互機(jī)器人,。通過關(guān)鍵運動關(guān)節(jié)映射模型,，設(shè)計了高靈活多關(guān)節(jié)脊柱，具有幾乎與大鼠運動極限一致的運動空間,，解決了機(jī)器人的復(fù)雜社交姿態(tài)表達(dá)難題,。基于動物演示的模仿學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)了四種社會行為模板生成,，學(xué)習(xí)到的行為可以表現(xiàn)出大鼠的運動特征,，具有高相對動態(tài)范圍指數(shù)和高動態(tài)相似性。與國際同類機(jī)器人相比,，在移動速度,、體長、仿生外觀,、運動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行為
團(tuán)隊建立了可自定義交互規(guī)則的自動控制系統(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，實現(xiàn)了半小時內(nèi)平均30次持續(xù)互動,。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)半小時不知疲倦的互動，實驗結(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（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（pouncing和social nose contact）使其處于一種積極的情緒狀態(tài),。這項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)器人社交互動實驗后的大鼠表現(xiàn)出不同行為和聲學(xué)反應(yīng)
團(tuán)隊未來將繼續(xù)探索使用多種感知反饋和行為模式在更長的時間內(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,。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42256-024-00939-y
附團(tuán)隊介紹：
北理工微小型仿生機(jī)器人團(tuán)隊依托機(jī)電學(xué)院，面向世界前沿,，在微小型仿生機(jī)器設(shè)計,、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等國際知名期刊,。
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