北理工團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人-動(dòng)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(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(guò)類(lèi)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(zhǎng)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(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(kāi)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(lèi)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(lèi)鼠機(jī)器人通過(guò)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(lái)，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(lái)了可控性，有助于闡明通過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)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(guò)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(kāi)發(fā)了一款小型類(lèi)鼠交互機(jī)器人。通過(guò)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。基于動(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(lèi)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(lèi)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(jué)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(guò)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(lèi)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(lái)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。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42256-024-00939-y
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(kāi)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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