Quando modelli virtuali del cervello incontrano corpi robotici reali e simulati
La Piattaforma Neurorobotica (NRP) del progetto HBP è una serie di strumenti per collegare e simulare assieme il cervello e il corpo («embodiment»). Essa supporta esperimenti virtuali in ambienti simulati realistici dal punto di vista fisico tramite i quali i neuroscienziati possono valutare le prestazioni funzionali dei modelli cerebrali nel contesto dei compiti comportamentali, e quindi confrontarli o affinarli ripetutamente. Questo fornisce ai ricercatori nuovi strumenti per studiare soggetti quali il controllo neurale del movimento o i meccanismi di apprendimento nel contesto delle interazioni con l’ambiente. Alla fine, le conoscenze ricavate da questi studi modificheranno sostanzialmente il modo in cui vengono progettati i robot. Comprendere meglio struttura, funzioni e dinamiche del cervello Il primo passo per la simulazione incarnata è quello di definire un compito da effettuare e di stabilire il rilevante settaggio virtuale e robotico. Successivamente, viene scelta un’architettura di controllo (cervello) per la simulazione, insieme ai rilevanti paradigmi di apprendimento e scenari sperimentali. La NRP supporta utenti in ciascuna fase di questo processo. Gli esperimenti a circuito chiuso offrono poi ai neuroscienziati un’opportunità unica di esplorare la relazione tra struttura, funzioni e dinamiche neurali del cervello in specifici contesti comportamentali. Ad esempio, diversi partner di HBP stanno studiando in modo congiunto come attività oculomotoria, elaborazione visiva e controllo motorio abile lavorino assieme in attività che prevedono il compito di afferrare degli oggetti in movimento. Altri stanno creando un topo virtuale per la NRP, corredato di un sistema muscolo-scheletrico molto dettagliato; l’obiettivo è quello di creare un modello virtuale che sia il più simile possibile al suo equivalente biologico, in modo che alcuni esperimenti sugli animali possano essere riprodotti ed effettuati virtualmente. Questi progressi potrebbero alla fine fornire vantaggi significativi per la scienza medica. Ad esempio, membri del team di HBP stanno realizzando un modello di rete neurale del midollo spinale e la stanno simulando allo scopo di comprendere in che modo si possa ottimizzare e/o personalizzare la stimolazione spinale. Uno dei principali obiettivi è quello di aiutare i pazienti con lesioni del midollo spinale nel recupero di una qualche capacità locomotoria, e qui gli sviluppi neurorobotici si potrebbero dimostrare preziosissimi. Costruire robot migliori Altri esperimenti mirano a svelare il segreto dei processi biologici che consentono al cervello di adattare il comportamento alle mutevoli condizioni ambientali. Questo fornirebbe ai ricercatori i mezzi per costruire robot migliori, incrementando la loro efficacia in settori dove l’attuale stato dell’arte è al momento carente, come ad esempio nel caso della consapevolezza situazionale. Per di più, la NRP fornisce tutti gli strumenti di simulazione necessari per addestrare i sistemi robotici nella simulazione: questo non solo riduce al minimo il rischio di danni a costosi hardware, ma permette anche di usare algoritmi di formazione paralleli in maniera massiccia. «L’utilizzo del calcolo ad alte prestazioni ridurrà notevolmente il tempo necessario per addestrare i sistemi robotici. Inoltre, la prototipazione virtuale delle piattaforme robotiche dovrebbe ridurre i costi di sviluppo e portare a prodotti progettati meglio e più robusti», dice il prof. dott. Alois Knoll, capo progetto per la NRP. Alcuni partner del progetto HBP stanno adesso studiando se architetture cognitive ispirate al cervello potrebbero essere utili quali sistemi di controllo per bracci robotici industriali che operano in scenari di collaborazione (cobot). Essi intendono anche estendere questi tentativi di ricerca ai robot meccanicamente compatibili, che potrebbero fornire «sicurezza di natura progettuale» nei luoghi dove i robot devono operare attorno agli esseri umani, come ad esempio nelle fabbriche. La NRP è pubblica, online e a disposizione di quei ricercatori che vogliano testare i propri modelli di cervello o costruire i robot ispirati al cervello del futuro. «La virtualizzazione della neuroscienza è il naturale passo successivo, dove i limiti sono solo quelli imposti dalla potenza di calcolo. In altre parole: l’unico limite è il cielo!» conclude il prof. dott. Knoll.
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