Articolo metodologico

Progettazione e implementazione di simulazioni del sistema nervoso su LEGO Robot

DOI:

10.3791/50519

25 maggio 2013

In questo articolo

Sommario

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Viene presentato un approccio alla modellazione rete neurale sulla piattaforma robotica LEGO Mindstorms. Il metodo fornisce uno strumento di simulazione per invertebrati ricerca neuroscientifica sia nel laboratorio di ricerca e l'aula. Questa tecnica permette la ricerca di principi di controllo di robot biomimetici.

Abstract

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Vi presentiamo un metodo per utilizzare il LEGO Mindstorms NXT piattaforma robotica disponibile in commercio per testare i sistemi di livello di neuroscienze ipotesi. Il primo passo del metodo è quello di sviluppare una simulazione del sistema nervoso di specifici comportamenti riflessivi di un adeguato organismo modello, qui usiamo l'aragosta americana. Riflessi esterocettivi mediate da decussating (incrocio) connessioni neurali in grado di spiegare i taxi di un animale verso o lontano da uno stimolo come descritto da Braitenberg e sono particolarmente adatti per le indagini utilizzando la piattaforma NXT. Viene programmato 1 La simulazione del sistema nervoso utilizzando il software LabVIEW sul LEGO piattaforma Mindstorms. Una volta che il sistema nervoso è adeguatamente regolati, esperimenti comportamentali passino sul robot e sull'animale sotto identiche condizioni ambientali. Controllando l'ambiente sensoriale vissuta dai campioni, si possono osservare differenze di uscita comportamentali. Queste differenze possono puntare a specifiche deficiencrie del modello del sistema nervoso e servono per informare l'iterazione del modello per il particolare comportamento in fase di studio. Questo metodo consente la manipolazione sperimentale dei sistemi nervosi elettronici e serve come un modo per esplorare neuroscienze ipotesi specificamente per quanto riguarda la base neurofisiologica di comportamenti riflessivi innati semplici. Il kit Mindstorms NXT LEGO costituisce una piattaforma accessibile ed efficiente su cui testare schemi di controllo di robot biomimetici preliminari. L'approccio è adatto anche per l'aula di scuola per servire come base per un hands-on basato sulla ricerca curriculum biorobotica.

Introduzione

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Indagini neurofisiologiche negli ultimi 100 anni hanno ampliato enormemente la nostra conoscenza della struttura del sistema nervoso e la funzione. Tuttavia, la maggior parte della ricerca del sistema nervoso fino ad oggi ha invocato l'uso di preparati isolati o soggetti sobri. Mentre ci sono stati molti sforzi riusciti a registrare l'attività neurale di comportarsi liberamente animali 2-5, l'approccio biorobotic fornisce un valido strumento per consentire la manipolazione del sistema nervoso al fine di testare i sistemi di livello neuroscienze ipotesi 6. Sistemi nervosi simulati operanti sul robot possono essere sperimentalmente man....

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Protocollo

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1. Costruire il modello di robot

  1. Scegli un organismo modello per lo studio che è ben rappresentata nella letteratura neuroethological. Invertebrati generalmente fanno buoni candidati perché i loro sistemi nervosi relativamente semplici sono stati ben studiati e sono in prevalenza costituiti di riflessi innati. Dimostreremo questo approccio con l'aragosta americana, Homarus americanus.
  2. Selezionare ben studiato i comportamenti riflessivi per scopi di modellazione. Abbiamo scelto le risposte del aragosta alla curva antenne e di rilevazione urto artiglio come l'animale risponde riflessivamente alla piegatura di antenne per suscitare ....

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Risultati

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Ingressi da artigli di un astice nel suo sistema nervoso mediano trattativa ostacolo in un ambiente nuovo. Figura 1 mostra uno screenshot del video utilizzato per analizzare il comportamento di un LEGO robot (Figura 1A) e un'aragosta (Figura 1B) in ambito di test. Dell'arena test è stato non modificata tra i test robot animale e tranne che l'acqua è stata svuotata dal serbatoio per le prove robot.

Risultati di monitoraggio video vengono visu.......

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Discussione

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Quando si inizia esperimenti di simulazione del sistema nervoso biorobotic, ci sono alcune importanti linee guida da seguire. La scelta del giusto organismo modello è critica: scegliere un organismo che è facile da ottenere e mantenere. Gli invertebrati sono l'ideale, perché di solito non richiedono l'approvazione istituzionale per la sperimentazione e le loro esigenze di allevamento sono spesso meno esigenti di quelli dei vertebrati. Dal punto di vista scientifico, è utile scegliere un animale che ha un record .......

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Ringraziamenti

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Ringraziamo il Dott. Chris Rogers (Tufts University) per la programmazione e il manoscritto suggerimenti. Ringraziamo Alex Giuliano e Deborah Lee per il sostegno alla produzione video.

Finanziamenti erogati da un NSF Graduate Research Fellowship e un MURI ONR in biologia sintetica.

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Riferimenti

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  1. Braitenberg, V. Taxis, kinesis and decussation. Prog. in Brain Res. 17, 210-222 (1965).
  2. Schregardus, D. S., Pieneman, A. W., Ter Maat, A., Jansen, R. F., Brouwer, F., Gahr, M. L. A lightweight telemetry system for recording neuronal activity in freely behaving smal....

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Simulazione del sistema nervosoLEGO Mindstorms NXTprogrammazione in LabVIEWastice americanocomportamenti riflessimodellazione di reti neuraliintegrazione dei sensoritest comportamentalirobotica biomimeticaneuroscienze dei sistemi

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