Boeken

Friday, June 15, 2012

iCub-peuterrobot leert zijn eerste woordjes

De iCub-peuterrobot kan woordjes leren in interactie met mensen die tegen de robot praten zoals ze tegen een kind zouden doen (deze week gepubliceerd onderzoek in het wetenschappelijk tijdschrift PLOS One).



Lees meer over de iCub-robot in het onderstaande artikel dat ik voor KIJK 3-2011 heb geschreven:

Laat het robotkind maar spelen

iCub is een robotkind van een jaar of drie. Net zoals een echt kind leert hij van zijn omgeving door te zien, te horen en te voelen. iCub moet ons de weg wijzen naar een beter begrip van het menselijk brein en naar betere robots.
De iCub-robot staat vandaag bewegingsloos in een metalen beugel. Hij heeft even vakantie. 6 december 2010 is een vrije dag in Spanje en de onderzoekers die de iCub normaal zijn kunstjes laten vertonen, hebben allemaal vrij. Maar de Nederlander Paul Verschure heeft de deuren van het roboticalab geopend en me aan iCub voorgesteld.

iCub is een kleuterrobot, gemodelleerd naar een kind dat tussen drie en drieëneenhalf jaar oud is. Door een wit masker kijken grote, zwarte robotpupillen me aan. Het metalen skelet zit vol elektronica en maakt van iCub het meest geavanceerde robotkind ter wereld. Vooral de handen van iCub zien er zeer verfijnd uit. Perfecte grijphanden met vingerkootjes die omhuld zijn met een stevige plastic huid. Op een filmpje zie ik hoe iCub met zijn ogen een bewegend balletje volgt, er met een hand naar toe beweegt en het balletje vast grijpt. “De makers van de iCub zijn gespecialiseerd in de coördinatie tussen de ogen en de handen”, zegt Verschure. “Daarom is de rest van de robot eigenlijk om de handen heen gebouwd.”

Verschure heeft de leiding over zo’n dertig onderzoekers van het Laboratory for Synthetic Perceptive, Emotive and Cognitive Systems (SPECS) Het lab ligt midden in Barcelona. De kerktorens van Antoni Gaudi’s beroemde Sagrada Familia zijn in de verte zichtbaar. Verschure is in Nederland opgeleid als psycholoog, maar week daarna eerst uit naar de kunstmatige intelligentie en later naar de harde neurowetenschappen. Via de Verenigde Staten en Zwitserland kwam hij in Barcelona terecht, waar hij nu de psychologie, de neurowetenschappen en de kunstmatige intelligentie met elkaar combineert.

Testplatform
In de eerste levensjaren leert het menselijk brein vooral doordat het lichaam spelenderwijs de buitenwereld verkent. Er komen steeds meer aanwijzingen dat dit leerproces ook cruciaal is voor de latere cognitieve ontwikkeling van sociaal gedrag en taal. Vandaar de keuze om niet met een volwassen mensachtige robot onderzoek te doen, maar met een kleuterrobot.

Verschure geeft een rondleiding door zijn lab. Hier staat een insectachtige robot met chemische voelsprieten. Daar staat een robot op wielen voor onderzoek naar robotnavigatie. “Ons doel is in de eerste plaats om via robots het menselijk brein beter te begrijpen. Maar als we betere modellen hebben van het brein, dan kunnen we ook betere robots bouwen. De iCub en onze andere robots dienen allereerst als een testplatform voor onze breinmodellen, als toets van onze hypotheses.”

Neem bijvoorbeeld het herkennen van het gezicht van iemand die je eerder hebt gezien. Dat is voor een computer of voor een robot razend moeilijk, maar een driejarige kan dat in ongeveer honderd milliseconden. Een stuk software dat gezichten binnen enkele minuten herkent, is voor een iCub waardeloos. iCub moet bekende gezichten ook in honderd milliseconden herkennen. Dat stelt hoge eisen aan de software voor het visuele systeem van de robot.

Verschure: “Een robot dwingt je na te denken over hoe je met imperfecties en onvoorspelbaarheden van de echte wereld omgaat. Dat wordt in een abstract model dat alleen op papier bestaat niet getoetst. Als je je aan een robot verbindt, liggen al je aannames op tafel. Je kunt niks onder de vloer vegen. Je kunt meten of de robot het doet of niet.”

Open-source De eerste iCub werd in 2004 gebouwd door het Italian Institute of Technology (IIT) in Genua. Inmiddels heeft iCub-1 zo’n twintig broertjes gekregen voor wetenschappelijk onderzoek (geen in Nederland). Binnen het consortium RobotCub ontwikkelen elf Europese universiteiten en onderzoeksinstituten gezamenlijk nieuwe software voor de iCub. Dit open-source-karakter onderscheidt iCub van vergelijkbare Amerikaanse en Japanse robotkinderen.

Het lab van Verschure beschikt nu ruim een jaar over een iCub. De eerste mijlpaal is dat hij de breinarchitectuur waaraan hij al zo’n twintig jaar werkt (zie kader), heeft overgebracht op het robotkind. “Onze iCub kan niet alleen een balletje met zijn ogen volgen en grijpen naar het balletje, hij kan ook een vorm van tafeltennis spelen. Dat is weer een stap moeilijker. Ook hebben we onze architectuur voor het visuele systeem van iCub getest. Ons systeem herkent niet alleen gezichten maar allerhande voorwerpen. Toch presteert het daarnaast net zo goed op het herkennen van gezichten als de beste gezichtsherkenningssoftware.”

De Europese iCub-samenwerking wordt sinds dit jaar in drie nieuwe projecten voortgezet. Binnen ITALK werken onderzoekers aan de sociale interactie tussen iCub en de mens en aan het uitbreiden van iCub met de basale taalvaardigheden van een kleuter. Binnen RoboSKIN wordt een robothuid ontwikkeld om iCub in de toekomst ook een aaibare buitenkant te geven, in plaats van de alleen het metalen skelet dat hij nu heeft. En ten slotte worden binnen AMARSi aanpasbare modules ontwikkeld die de motorische vaardigheden van iCub uitbreiden.

Verschure gaat zich met zijn medewerkers richten op de sociale interactie. “Ons doel is om iCub in interactie met een mens een nieuw spelletje te leren. De mens doet het spelletje voor en iCub moet daar de bedoeling uit zien te halen en dan het spelletje met de mens kunnen spelen.”

Breinreparatie
De centrale filosofie van Verschure is dat hoe beter we het brein begrijpen, hoe beter we het ook kunnen nabouwen en zelfs kunnen repareren. Voor het begrijpen en het nabouwen dienen de robots. Voor het repareren werken de onderzoekers samen met twee ziekenhuizen in Barcelona. Verschure: “We willen een effectievere revalidatietherapie ontwikkelen voor patiënten die door een beroerte verlammingen hebben opgelopen.”

De traditionele revalidatie gebeurt met fysiotherapie. Dan beweegt de therapeut bijvoorbeeld de vingers van een verlamde hand herhaaldelijk heen en weer. “Dat is een arbeidsintensieve revalidatie”, zegt Verschure, “waarvan bovendien niet wetenschappelijk is bewezen wat er dan in de hersenen precies verandert. Terwijl de bron van het probleem in de hersenen zit.”

Vanuit hetzelfde breinmodel dat de onderzoekers voor de iCub-robot gebruiken, hebben ze een soort computerspel als revalidatiesysteem ontwikkeld. Het systeem meet via een camera precies hoe een patiënt tijdens het spel zijn arm en zijn hand beweegt. Het is dit jaar getest op twintig patiënten en presteert duidelijk beter dan alle andere bekende revalidatiesystemen. Vanaf volgend jaar wordt een Europees project gestart om het als thuissysteem voor patiënten te introduceren. De patiënt hoeft dan niet meer de deur uit naar de fysiotherapeut maar kan thuis achter zijn pc en met een webcam intensief aan zijn herstel werken.

Verschure: “Dit voorbeeld laat zien dat onze filosofie om tegelijkertijd te werken aan het begrijpen, bouwen en repareren van het brein concrete resultaten oplevert. Voor veel theoretische neurowetenschappers staan patiënten ver van hun modellen. Ik vind dat een arrogante houding. Daarachter gaat de onzekerheid schuil dat hun theorie weinig te bieden heeft aan de praktijk. Maar het gaat juist om het toetsen van je modellen in de praktijk. Daarom hou ik van het werken met robots en patiënten. Niet praten, maar doen. Werkt het of werkt het niet? Laat maar zien wat je waard bent.”

[kader 1:]
iCub-robot in het kort:
Lengte: 104 cm
Gewicht: 22 kg
Functionaliteit: Motoren in hoofd, armen, handen, heupen en benen zorgen voor 53 vrijheidsgraden van beweging. iCub kan zien en horen. Dankzij versnellingsmeters en gyroscopen heeft hij ook een gevoel voor de houding van zijn eigen lichaam en voor beweging.
Kosten per iCub: € 250.000. Hoofd alleen: € 30.000
Financiering: € 8,5 miljoen uit het zesde kaderprogramma van de EU. Looptijd eerste fase: 2004-2009. Tweede fase vanaf 2010.

[kader 2:]
Hoe werkt het iCub-brein?
De iCub-ontwerpers hebben de robot een aantal ‘aangeboren’ eigenschappen meegegeven. Zo kan iCub dankzij de standaard meegeleverde software voorwerpen onderscheiden van hun achtergrond en gezichten onderscheiden van overige voorwerpen, iets wat een pasgeborene ook al kan. Door de standaard software uit te breiden, kunnen iCub-onderzoekers de robot nieuwe dingen laten leren.

De onderzoeksgroep van Paul Verschure gebruikt een breinmodel dat uit drie delen bestaat die onderling informatie uitwisselen. Het model is stukje bij beetje in de afgelopen twintig jaar ontwikkeld. Het is gebaseerd op hoe een zoogdierenbrein zintuiglijke informatie gebruikt om het lichaam in beweging te zetten. Dat is de primaire taak van elk brein, of het nu een rattenbrein is of een mensenbrein.

Het eerste deel van dit model is het reactieve brein. Op basis van wat iCub ziet, hoort en voelt, genereert zijn brein snel een automatische reactie, bijvoorbeeld uitwijken voor een bal die op de robot af komt. Over dit deel heeft de robot geen controle net zoals een mens ook geen controle heeft over dit primitieve deel van onze hersenen. Dit deel is gebaseerd op het evolutionair oudste deel van de hersenen, de hersenstam, gelegen aan de bovenzijde van het ruggenmerg.

Het tweede deel is het adaptieve deel. Dit deel kan leren en dus in de tijd veranderen. Hiermee kan iCub bijvoorbeeld leren hoe een bal eruit ziet en gezichten leren herkennen van mensen die hij eerder heeft gezien. Dit deel is gebaseerd op drie menselijke hersenstructuren: de hippocampus (belangrijk voor het geheugen), de basale ganglia (belangrijk voor de controle van bewegingen) en de amygdala (belangrijk voor emoties).

Het derde deel van het iCub-brein is het contextuele deel. De iCub gebruikt dit deel om zijn handelingen te plannen en nieuwe strategieën te leren op basis van eerdere ervaringen. Hoe moet hij zijn arm en hand bewegen wanneer een bal met een bepaalde snelheid en onder een bepaalde hoek op hem af komt? En wat als de bal onderweg nog tegen een muurtje botst en daarna op hem af komt? Dit deel is gemodelleerd naar een deel van de hersenschors dat betrokken is bij de hogere mentale aspecten van waarnemen, handelen, plannen en leren. Evolutionair gezien is dit het jongste deel van de hersenen.

Op een dieper niveau wordt elk van deze drie delen gemodelleerd met een verzameling kunstmatige hersencellen die in een netwerk met elkaar zijn verknoopt. De kunst is om met een relatief beperkte hoeveelheid kunstmatige hersencellen (enkele tienduizenden − tegenover de honderd miljard van een mensenbrein) toch realistisch gedrag te genereren.

Internet
www.robotcub.org/
www.icub.org/
www.youtube.com/watch?v=VKPkqneze6k Een filmpje van iCub in actie, met uitleg van Verschure
www.youtube.com/results?search_query=iCub&search_type=&aq=f Meer iCub-filmpjes op YouTube
http://specs.upf.edu/people/331 Meer informatie over het onderzoek van Paul Verschure