Neuroscienze e robotica: problemi di epistemologia e di metodo scientifico. Edoardo Datteri Università degli Studi di Milano-Bicocca

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Gabriela Valentini
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1 Neuroscienze e robotica: problemi di epistemologia e di metodo scientifico Edoardo Datteri Università degli Studi di Milano-Bicocca

2 Filosofia della scienza (Redhead 1980)

3 Panoramica Ambizioni scientifiche dell IA e della robotica Questioni di metodo scientifico (filosofia della scienza) Questioni di etica applicata

4 Ambizioni dell IA e della robotica odierna Ambizione scientifica: costruzione di sistemi artificiali come modelli (simulazioni) del comportamento intelligente di sistemi viventi Presupposti metodologici: Costruzione di un sistema sulla base di teorie, principi, modelli teorici mutuati dalla biologia, dalle neuroscienze, dalla psicologia, dai modelli della razionalità, Confronti sperimentali tra le prestazioni di quel sistema e le prestazioni dei sistemi viventi in esame da cui si traggono conclusioni teoriche a proposito di questi ultimi

5 Nulla di nuovo, per ora Macchine e studio dei sistemi viventi nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne nella bionica (interfacce cervello-macchina) nell intelligenza artificiale classica (Newell, Simon, Minsky, ) nella cibernetica e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)

6 Nulla di nuovo, per ora Macchine e studio dei sistemi viventi nella (bio)robotica e nella robotica cognitiva odierne nella bionica (interfacce cervello-macchina) nell intelligenza artificiale classica (Newell, Simon, Minsky, ) nella cibernetica e ancor prima della cibernetica (inizio XX secolo)

7 La biorobotica: comprendere costruendo Sahabot Anthroform arm Robot locusta RoboLobster Cricket robot

8 Simulazioni (robotiche) le simulazioni sono un nuovo strumento che si è aggiunto agli strumenti tradizionali con cui la scienza cerca di conoscere e capire la realtà (Parisi 2001) Le simulazioni robotiche permettono di approfondire la comprensione di sistemi naturali costruendo robot che replichino alcuni aspetti del loro sistema sensoriale e nervoso e del loro comportamento (Lambrinos et al 2000) Le simulazioni robotiche assistono il processo di scoperta di nuovi schemi comportamentali nel sistema modellato (Schank et al 2004)

(FP6-IST-FET) Vari progetti EPSCR (Edinburgo, Dr.

9 Progetti di ricerca finanziati NEUROBOTICS - The fusion of Neuroscience and Robotics (FP6-IST) MirrorBot: Biomimetic multimodal learning in a mirror neuron-based robot (FP6-IST-FET) Vari progetti EPSCR (Edinburgo, Dr. Barbara Webb) Giappone: 1997, progetto Creating the Brain, Council of Science and Technology; Brain Science Institute, RIKEN

10 Robotica e neuroetologia Studio del comportamento degli insetti Modelli a comportamenti implementati su robot Arkin, R. (2000). "Behavioral models of the praying mantis as a basis for robotic behavior." Robotics and Autonomous Systems, 32(1),

11 Modello a comportamenti della mantide religiosa

12 Reazione a stimoli concorrenti avvicinamento alla preda in movimento (scatola arancione) Un predatore entra nel campo visivo: il robot si ferma Il predatore esce dal campo visivo: il robot si muove

13 Confronti sperimentali tra robot e sistema biologico

Understanding the brain by creating the brain (Mitsuo Kawato) the only possible methodology to fully understand how the brain works is to build or reconstruct

14 Understanding the brain by creating the brain (Mitsuo Kawato) the only possible methodology to fully understand how the brain works is to build or reconstruct artificial systems that can realize brain functions. We call this approach Understanding the Brain by Creating the Brain Humanoid Robots as a Neuroscience Tool

15 Questione di metodo scientifico Le macchine (robot, calcolatori, sistemi bionici) possono costituire strumenti di controllo sperimentale di teorie sul comportamento adattativo e intelligente dei sistemi viventi?

16 Macchine e scienze cognitive: laboratorio epistemologico Dovremmo davvero prendere sul serio l idea secondo cui l analisi del comportamento di una macchina può permetterci di valutare teorie cognitive a proposito dei sistemi viventi? Non è eccessivamente presuntuoso, o scientificamente ingenuo, ritenere che un artefatto di metallo e plastica possa contribuire a comprendere il funzionamento di esseri in carne e ossa? Dovremmo ritenere che le simulazioni robotiche e informatiche possano al più aiutarci a valutare la plausibilità di teorie troppo semplificate per essere di qualche interesse nello studio della cognizione e dell intelligenza animale?

17 Macchine e scienze cognitive: laboratorio epistemologico Giustificazione delle metodologie simulative nelle scienze cognitive: riflessioni epistemologiche e metodologiche Analisi della nozione di buona spiegazione nelle scienze cognitive; Analisi del ruolo dell astrazione nella teorizzazione cognitiva in biorobotica e nell IA Sotto quali condizioni un sistema artificiale costituisce un implementazione accurata di un ipotesi scientifica? L implementazione robotica o informatica semplifica o distorce l ipotesi iniziale Quali criteri possiamo utilizzare per valutare l accuratezza implementativa?

18 Le antenne dell aragosta La chemotassi dell aragosta

challenges", Robotics and Autonomous Systems, Vol. 30, pp. 115-131.

19 RoboLobster Grasso, F.W., Consi, T.R., Mountain, D.C., Atema, J. (2000), "Biomimetic robot lobster performs chemo-orientation in turbulence using a pair of spatially separated sensors: Progress and challenges", Robotics and Autonomous Systems, Vol. 30, pp Un caso di falsificazione biorobotica acqua + sorgente chimica Due algoritmi a retroazione negativa: Algoritmo 1: Sterza quando il gradiente di concentrazione eccede una soglia prefissata Algoritmo 2: Ulteriore regola: inverti la marcia se il gradiente di concentrazione scende sotto una soglia prefissata

20 Falsificazione: chemotassi delle aragoste destinazione partenza 60 cm OK Distanza tra il punto di partenza e la sorgente chimica: 100 cm 60 cm 100 cm no

21 Spiegazioni alternative Perchè RoboLobster non è riuscito a raggiungere la sorgente chimica da una distanza di 100 cm? A causa dell orientazione iniziale? no A causa della distanza tra i sensori? no

22 Conclusione Il gradiente di concentrazione non fornisce informazioni sufficienti per guidare il comportamento dell aragosta Il comportamento dell aragosta non può essere spiegato tramite uno schema a retroazione negativa

23 Macchine e scienze cognitive: laboratorio epistemologico Giustificazione delle metodologie simulative nelle scienze cognitive: riflessioni epistemologiche e metodologiche Analisi della nozione di buona spiegazione nelle scienze cognitive; Analisi del ruolo dell astrazione nella teorizzazione cognitiva in biorobotica e nell IA Sotto quali condizioni un sistema artificiale costituisce un implementazione accurata di un ipotesi scientifica? L implementazione robotica o informatica semplifica o distorce l ipotesi iniziale Quali criteri possiamo utilizzare per valutare l accuratezza implementativa?

24 Spiegazione e scienze cognitive: l astrazione Astrazione e circostanze al contorno Ambientali Altri stimoli chimici? Turbolenza dell acqua? Fisiologiche Assunzione di modularità: sistema isolato rispetto all influsso di altre parti del sistema nervoso

25 Spiegazione e scienze cognitive: l astrazione Astrazione e circostanze al contorno in Intelligenza Artificiale Quello che propongo è di partire da attività più semplici, vale a dire da un ambiente che non sia né ostile (ma solamente indifferente) né complesso (Dartmouth 1956)

26 Spiegazione e scienze cognitive Astrazione e scelta di un particolare livello di analisi Ipotesi: relazione tra stimoli sensoriali e risposte motorie Grana molto larga : nessun riferimento ai componenti intermedi che assicurano il collegamento tra stimolazioni sensoriali e risposte motorie. Es: Meccanismi di controllo delle zampe dell animale? Meccanismi chimici che assicurano il buon funzionamento dei circuiti neurali?

27 Macchine e scienze cognitive: laboratorio epistemologico Giustificazione delle metodologie simulative nelle scienze cognitive: riflessioni epistemologiche e metodologiche Analisi della nozione di buona spiegazione nelle scienze cognitive; Analisi del ruolo dell astrazione nella teorizzazione cognitiva in biorobotica e nell IA Sotto quali condizioni un sistema artificiale costituisce un implementazione accurata di un ipotesi scientifica? L implementazione robotica o informatica semplifica o distorce l ipotesi iniziale Quali criteri possiamo utilizzare per valutare l accuratezza implementativa?

28 Dal meccanismo esplicativo al robot

29 Da ipotesi cognitiva a sistema artificiale Dettagli implementativi: caratteristiche del sistema artificiale che non sono vincolate dall ipotesi teorica ma che ciò nonostante hanno un impatto sul comportamento del sistema

30 Da ipotesi cognitiva a sistema artificiale Relazione tra dati sperimentali e ipotesi teorica: 1. Il comportamento del robot è attribuibile alle caratteristiche dell ipotesi teorica da controllare 2. oppure ai dettagli implementativi? Nel secondo caso, siamo giustificati a rivedere l ipotesi iniziale sulla base del comportamento del robot?

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