laurens jan kortmann- evolving phonotaxis in a robot cricket: an investigation in bio-robotics

8/3/2019 Laurens Jan Kortmann- Evolving phonotaxis in a robot cricket: an investigation in bio-robotics

1/145

E v o l v i n g p h o n o t a x i s i n a r o b o t c r i c k e t | a n

i n v e s t i g a t i o n i n b i o - r o b o t i c s

L a u r e n s J a n K o r t m a n n

M S c d i s s e r t a t i o n

U n i v e r s i t y o f G r o n i n g e n

T h e N e t h e r l a n d s

U n i v e r s i t y o f E d i n b u r g h

S c o t l a n d

1 9 9 8


2/145

2

A b s t r a c t

M o r e a n d m o r e p e o p l e i n a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e a r e i n t e r e s t e d i n c o l l a b o r a t i o n w i t h t h e i r

c o l l e a g u e s i n b i o l o g y . F o r t h i s , a m e t h o d o l o g y n e e d s t o b e e s t a b l i s h e d t o b r i d g e t h e g a p

b e t w e e n t h e t w o e l d s . M y c o n t r i b u t o n t o t h i s e n d e a v o u r i s a p r o p o s a l f o r a m e t h o d o l o g y

f o r t h e u s e o f e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n i n b i o - r o b o t i c s .

B i o - r o b o t i c s i n v e s t i g a t e s b i o l o g i c a l s y s t e m s b y m e a n s o f b u i l d i n g a r t i c i a l o n e s . E v o -

l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n c a n a d d t o t h i s e l d i n t w o m a i n w a y s :

B y g i v i n g h i s t o r i c a l e v i d e n c e f o r h y p o t h e s i z e d n e u r a l m e c h a n i s m s t h a t a r e s u p p o s e d

t o u n d e r l i e a d a p t i v e b e h a v i o u r i n r e a l a n i m a l s .

B y l i n k i n g c l o s e l y r e l a t e d s p e c i e s f r o m a n e v o l u t i o n a r y p o i n t o f v i e w b y r e p r o d u c i n g

e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o s p r o p o s e d i n b i o l o g y .

B i o - r o b o t i c s i s b a s e d o n t h e m e t h o d o f ` e x p l a n a t i o n b y m o d e l l i n g ' . I n t h i s e l d , m o d e l s

a r e b u i l t , b a s e d o n h y p o t h e s e s o n n e u r a l m e c h a n i s m s t h a t u n d e r l i e a d a p t i v e b e h a v i o u r i n

r e a l a n i m a l s . B y c a r e f u l e x p e r i m e n t a t i o n w i t h t h e m o d e l a n d r e l i a b l e i n t e r p r e t a t i o n o f i t s

b e h a v i o u r , o n e c a n o b t a i n e v i d e n c e o n t h e h y p o t h e s i z e d m e c h a n i s m m o d e l l e d .

I n a s i m i l a r w a y , b y m o d e l l i n g h y p o t h e s i z e d e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o s u s i n g t e c h n i q u e s

f r o m e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n s u c h a s g e n e t i c a l g o r i t h m s , h i s t o r i c a l e v i d e n c e c a n b e

o b t a i n e d f o r t h e s y s t e m m o d e l l e d . A l s o d i e r e n c e s b e t w e e n c o n t e m p o r a r y s p e c i e s c a n b e

e x p l a i n e d i f k n o w l e d g e o n a p o s s i b l e c o m m o n a n c e s t o r i s a v a i l a b l e .

I i l l u s t r a t e t h e p r o p o s e d m e t h o d o l o g y w i t h a t e s t c a s e f r o m b i o l o g y . U s i n g a r o b o t i c

m o d e l o f c r i c k e t p h o n o t a x i s t h a t w a s d e v e l o p e d b e f o r e , e v o l u t i o n a r y e x p e r i m e n t s o n

c r i c k e t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n a r e c o n d u c t e d .

T h e r e s u l t s s h o w t h a t a s e l e c t e d e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o w a s s u c c e s s f u l l y r e p r o d u c e d ,

b u t t h a t d o u b t s s t i l l e x i s t c o n c e r n i n g t h e a c c u r a c y o f m o d e l l i n g .


3/145

3

A c k n o w l e d g e m e n t s

I w o u l d l i k e t o e x p r e s s t h a n k s t o a l l p e o p l e w h o h e l p e d m e d u r i n g t h e c o u r s e o f t h i s

p r o j e c t t o k e e p m e s t a n d i n g b o t h f r o m a n a c a d e m i c a s f r o m a s o c i a l p o i n t o f v i e w .

F i r s t I w o u l d l i k e t o t h a n k m y s u p e r v i s o r s J o h n H a l l a m a n d H a n s v a n D i t m a r s c h

f o r t h e d i r e c t i o n s t h e y g a v e m e a n d t h e e n t h o u s i a s m t h e y e x p r e s s e d . I a m v e r y h a p p y

J o h n t o o k m e a s a s t u d e n t a n d a l l o w e d m e t o w o r k w i t h t h e c r i c k e t r o b o t a n d I c o u l d n ' t

h a v e w i s h e d f o r m o r e e n c o u r a g i n g s u p e r v i s i o n t h a n I r e c e i v e d f r o m H a n s . I t o o k a l o t o f

i n s p i r a t i o n f r o m t h e w o r k o f B a r b a r a W e b b , H e n r i k L u n d a n d A u k e I j s p e e r t f o r w h i c h I

a m v e r y g r a t e f u l . T h e y p r o v i d e d m e w i t h m u c h o f t h e r a w m a t e r i a l u p o n w h i c h t h i s w o r k

h a s b e e n b u i l t . T h e d e p a r t m e n t ' s t e c h n i c i a n s a n d c o m p u t i n g s t a w e r e a l s o o f g r e a t h e l p

t o t h i s p r o j e c t , e s p e c i a l l y w h e n i t c a m e t o t h e m a i n t e n a n c e o f t h e r o b o t . F u r t h e r m o r e

I a m g l a d T i m T a y l o r a n d C h r i s t i n a A n a g n o s t o p o u l o u h e l p e d m e w i t h p r o o f r e a d i n g o f

t h e d i s s e r t a t i o n a n d I e n j o y e d t h e i n s p i r i n g c o m p a n y o f m a n y p e o p l e a t t h i s d e p a r t m e n t

t h r o u g h o u t t h e y e a r .

M y f a m i l y a n d f r i e n d s b a c k h o m e a n d h e r e i n E d i n b u r g h w e r e a c o n s t a n t s o u r c e o f

s u p p o r t i n g o o d a s w e l l a s b a d t i m e s . I w a s v e r y l u c k y t o h a v e b e e n v i s i t e d b y s o m a n y

p e o p l e a n d t o h a v e f o u n d a g r o u p o f t r u e f r i e n d s f o r m a n y a w a l k o r ` w e e d r a m ' .

T h e w o r k w a s s u p p o r t e d b y g r a n t s f r o m t h e F a c u l t y o f p s y c h o l o g y , p e d a g o g y a n d s o c i a l

s c i e n c e o f t h e U n i v e r s i t y o f G r o n i n g e n ( M a r c o P o l o F o n d s ) , t h e D e p a r t m e n t o f C o g n i t i v e

S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g o f t h e U n i v e r s i t y o f G r o n i n g e n a n d t h e G r o n i n g e r u n i v e r s i t e i t s -

f o n d s , a l l a t G r o n i n g e n , T h e N e t h e r l a n d s .


4/145

4


5/145

C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n 9

1 . 1 H i s t o r i c a l b a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1 . 2 A d d i n g a n e w e l e m e n t t o b i o - r o b o t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

1 . 3 T h e t e s t c a s e : e v o l u t i o n o f c r i c k e t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n . . . . . . . . . 1 2

1 . 4 O u t l i n e s o f t h e d i s s e r t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

2 B i o - r o b o t i c s : o r i g i n a n d m e t h o d o l o g y 1 5

2 . 1 O r i g i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

2 . 1 . 1 B i o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

2 . 1 . 2 A r t i c i a l i n t e l l i g e n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

2 . 1 . 3 C o n s i d e r a t i o n s f r o m p h i l o s o p h y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

2 . 2 S t u d y i n g b i o l o g i c a l s y s t e m s b y m e a n s o f t h e a r t i c i a l . . . . . . . . . . . . 3 4

2 . 2 . 1 T h e A I e n t e r p r i s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4

2 . 2 . 2 O n m o d e l l i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

2 . 2 . 3 B i o - r o b o t i c s | a m e t h o d o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

2 . 2 . 4 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

3 O n c r i c k e t s 4 3

3 . 1 A c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n i n c r i c k e t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

3 . 1 . 1 T h e e t h o l o g y o f c r i c k e t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n . . . . . . . . . . . 4 4

3 . 1 . 2 T h e p h y s i c s a n d n e u r o p h y s i o l o g y o f c r i c k e t p h o n o t a x i s . . . . . . . 5 0

3 . 1 . 3 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

5


6/145

6 C O N T E N T S

3 . 2 S o m e s y s t e m a t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

3 . 2 . 1 T a x o n o m y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

3 . 2 . 2 T w o s p e c i e s i n d e t a i l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6

3 . 3 E v o l u t i o n o f c r i c k e t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9

3 . 3 . 1 M e t h o d s o f i n v e s t i g a t i o n a n d t h e g e n e t i c b a s e o f c r i c k e t s o n g s . . . 5 9

3 . 3 . 2 C h a n g e o v e r l o n g e v o l u t i o n a r y t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0

3 . 3 . 3 F o r c e s o f a d a p t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1

3 . 3 . 4 T h e c o - e v o l u t i o n a r y p r o c e s s | a s c e n a r i o . . . . . . . . . . . . . . 6 2

3 . 3 . 5 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3

4 T h e e x p e r i m e n t a l s e t u p 6 5

4 . 1 T h e r o b o t m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5

4 . 1 . 1 T h e r o b o t b a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5

4 . 1 . 2 T h e ` e a r s - m o d u l e ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6

4 . 2 S o f t w a r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7

4 . 2 . 1 S o f t w a r e i n t h e r o b o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8

4 . 2 . 2 S o f t w a r e i n t h e P C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

4 . 2 . 3 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0

4 . 3 T h e e x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1

4 . 3 . 1 T h e e x p e r i m e n t a l o o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1

4 . 3 . 2 T h e b e h a v i o u r a l e x p e r i m e n t s i n g e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2

4 . 3 . 3 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4

5 E x p e r i m e n t s a n d r e s u l t s 8 7

5 . 1 T e s t i n g t h e G A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8

5 . 2 E v o l u t i o n f r o m s c r a t c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8

5 . 2 . 1 D e t a i l s o n t h e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0

5 . 2 . 2 T h e p a r a m e t e r s h a n d - s e t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3

5 . 2 . 3 T h e e v o l u t i o n a r y p r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3


7/145

C O N T E N T S 7

5 . 2 . 4 A n a l y s i s o f t h e e v o l u t i o n a r y p r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4

5 . 2 . 5 A n a l y s i s o f t h e e v o l v e d p o p u l a t i o n | f r e q u e n c y s e l e c t i v i t y e x p e r i -

m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7

5 . 3 R e p r o d u c i n g a n e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3

5 . 3 . 1 D e t a i l s o n t h e e x p e r i m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3

5 . 3 . 2 A n a l y s i s o f t h e e v o l u t i o n a r y p r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8

5 . 3 . 3 A n a l y s i s o f t h e e v o l v e d p o p u l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0

6 C o n c l u s i o n s a n d e v a l u a t i o n 1 1 5

6 . 1 A s o u n d m e t h o d o l o g y ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5

6 . 1 . 1 E x p e r i m e n t a l r e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6

6 . 1 . 2 H i s t o r i c a l e v i d e n c e o n b i o l o g i c a l s y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6

6 . 1 . 3 A b s t r a c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7

6 . 1 . 4 E m b o d i m e n t i s j u s t o n e t h i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8

6 . 1 . 5 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9

6 . 2 R e v i e w i n g t h e p r o j e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9

6 . 3 F u t u r e w o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1

6 . 4 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3

A T r a j e c t o r i e s , v e c t o r p l o t s a n d v a r i e t y p l o t s 1 3 3


8/145

8 C O N T E N T S


9/145

C h a p t e r 1

I n t r o d u c t i o n

1 . 1 H i s t o r i c a l b a c k g r o u n d

E v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n h a s u n t i l a f e w y e a r s a g o m a i n l y b e e n v i e w e d i n t h e l i g h t o f

o p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s . G e n e t i c a l g o r i t h m s a n d g e n e t i c p r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s w e r e

u s e d t o n e - t u n e o r o p t i m i z e t h e b e h a v i o u r o f s o m e c o m p u t e r p r o g r a m w i t h r e g a r d t o a

s p e c i c t a s k . I n h i s f a m o u s b o o k G o l d b e r g , 1 9 8 9 ] G o l d b e r g d e s c r i b e s g e n e t i c a l g o r i t h m s

( G A s ) a s o p t i m i z a t i o n m e t h o d s t h a t p e r f o r m e s p e c i a l l y w e l l w h e n t r a d i t i o n a l o p t i m i z a t i o n

m e t h o d s s u c h a s s t e e p e s t a s c e n t h i l l - c l i m b i n g f a i l .

E v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n a n d a r t i c i a l l i f e

S i n c e t h e r i s e o f t h e e l d o f a r t i c i a l l i f e ( A L I F E ) L a n g t o n , 1 9 8 6 , 1 9 8 9 ] , e v o l u t i o n a r y

c o m p u t a t i o n h a s b e e n m o r e a n d m o r e f r e q u e n t l y u s e d f o r i n v e s t i g a t i n g t h e o r i g i n o f l i f e

f r o m a b i o - c h e m i c a l p o i n t o f v i e w a n d f o r e x p l o r i n g t h e d y n a m i c s o f v i r t u a l e c o - s y s t e m s .

A n e x a m p l e o f t h i s k i n d o f r e s e a r c h i s t h e T i e r r a p r o j e c t b y R a y 1 9 9 1 ] i n w h i c h p o p u l a -

t i o n s o f v i r t u a l c h r o m o s o m e s d e v e l o p a n d n d t h e i r p l a c e s i n d i e r e n t e c o l o g i c a l n i c h e s .

P h e n o m e n a s u c h a s s p e c i a t i o n , s p e c i a l i z a t i o n , n d i n g e v o l u t i o n a r y s t a b l e s o l u t i o n s a n d

c o m p e t i t i o n h a v e b e e n s t u d i e d . I t s h o u l d b e n o t e d t h o u g h t h a t t h e e c o - s y s t e m s i n q u e s -

9


10/145

1 0 C H A P T E R 1 . I N T R O D U C T I O N

t i o n a r e s i m u l a t e d i n c o m p u t e r s a n d o n l y r e p r e s e n t a n a p p r o x i m a t i o n o f t h e r e a l w o r l d

1

.

E v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n a n d r o b o t i c s

T o g e t h e r w i t h t h e r i s e o f a r t i c i a l l i f e , w h i c h w a s p o s s i b l e l a r g e l y b e c a u s e o f t h e i n c r e a s e d

p o w e r o f c o m p u t e r s , r o b o t i c i s t s s t a r t e d u s i n g g e n e t i c a l g o r i t h m s a n d g e n e t i c p r o g r a m -

m i n g ( G P ) t o o p t i m i z e c l e v e r l y e n g i n e e r e d c o n t r o l m e c h a n i s m s f o r p h y s i c a l r o b o t s

2

. A n

e x a m p l e o f t h i s k i n d o f w o r k i s d e s c r i b e d i n a n a r t i c l e b y T a n i e t a l . 1 9 9 7 ] i n w h i c h a

r o b o t i s e q u i p p e d w i t h a n a r t i c i a l n e u r a l n e t w o r k ( A N N ) t o n a v i g a t e i n t h e r e a l w o r l d .

T h e c o n n e c t i v e w e i g h t f a c t o r s i n t h i s A N N a r e s e t b y u s e o f a g e n e t i c a l g o r i t h m .

B i o l o g i c a l l y i n s p i r e d r o b o t i c s

T h e n e x t l o g i c a l s t e p n o w w a s t o t a k e t h e b i o l o g i c a l l y i n s p i r e d i n t e r e s t s f r o m a r t i c i a l

l i f e a n d c o m b i n e t h e m w i t h t h e u s e o f p h y s i c a l m o b i l e r o b o t s

3

. T h i s r e s u l t s i n b i o l o g i -

c a l l y r e l a t e d r e s e a r c h o n a r t i c i a l a g e n t s t h a t i n t e r a c t w i t h t h e r e a l w o r l d i n r o u g h l y t h e

s a m e w a y a s r e a l o r g a n i s m s d o . B e c a u s e o f i t s c l o s e l i n k s w i t h b i o l o g y I s h a l l c a l l t h i s

n e w e l d o f r e s e a r c h ` b i o l o g i c a l l y i n s p i r e d r o b o t i c s ' o r ` b i o - r o b o t i c s ' . T h e m a i n o b j e c -

t i v e o f b i o - r o b o t i c s i s t o s t u d y s p e c i c b i o l o g i c a l s y s t e m s ( a p a r t i c u l a r a n i m a l s p e c i e s ) b y

e x p e r i m e n t i n g w i t h a r t i c i a l s y s t e m s W e b b , 1 9 9 3 ] . T h e d e s i g n o f t h e a r t i c i a l s y s t e m ,

t h e e x p e r i m e n t a n d t h e a n a l y s i s o f t h e r e s u l t s h a v e t o b e s u c h t h a t r e s u l t s f r o m t h e s e

e x p e r i m e n t s c a n b e c o m p a r e d t o b i o l o g i c a l r e s e a r c h . I s h a l l c o m e b a c k t o t h e d e t a i l s o f

b i o - r o b o t i c s i n c h a p t e r 2 . E x a m p l e s o f p r o j e c t s i n w h i c h r e s e a r c h e r s i n t e n d t o b u i l d a n

a r t i c i a l a g e n t t o i n v e s t i g a t e r e a l o n e s i n c l u d e t h e ` r o b o t l o b s t e r ' G r a s s o e t a l . , 1 9 9 6 ] a n d

| m o r e i m p o r t a n t f o r t h i s p r o j e c t | t h e ` r o b o t c r i c k e t ' L u n d e t a l . , 1 9 9 7 , 1 9 9 8 ] .

1

I f t h e y a r e t o r e p r e s e n t t h e r e a l w o r l d a t a l l .

2

W i t h p h y s i c a l r o b o t s I m e a n r e a l ( m o b i l e ) r o b o t s t h a t i n t e r a c t w i t h t h e r e a l w o r l d a s o p p o s e d t o

s i m u l a t e d m o d e l s t h a t d o n o t d e a l w i t h t h e c o m p l e x i t y o f a n e x i s t i n g e n v i r o n m e n t , b u t n a v i g a t e t h r o u g h

a d e s i g n e d v i r t u a l l a n d s c a p e .

3

A m o b i l e r o b o t i s a r o b o t t h a t i s a b l e t o m o v e i t s e n t i r e b o d y a r o u n d i n i t s e n v i r o n m e n t . N o t i c e t h e

c o n t r a s t w i t h e . g . a n a s s e m b l y r o b o t a r m w h i c h i s n o t a b l e t o m o v e f r o m t h e l o c a t i o n w h e r e i t i s x e d .


11/145


12/145


g e n e t i c a l g o r i t h m s t o r e p l i c a t e e v o l u t i o n a s i t h a p p e n e d i n t h e r e a l w o r l d . I n t h i s w a y

g e n e t i c a l g o r i t h m s c a n b e u s e d t o g i v e e v i d e n c e o n h y p o t h e s i z e d m e c h a n i s m s o f n e u r a l

c o n t r o l i n r e a l a n i m a l s a n d c a n b e u s e d t o e s t a b l i s h e v o l u t i o n a r y l i n k s b e t w e e n d i e r e n t

s p e c i e s o f a n i m a l s a s w e k n o w t h e m t o d a y .

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t i n b i o - r o b o t i c s t h e e m p h a s i s i s o n i n v e s t i g a t i n g r e a l a n i m a l s

b y b u i l d i n g a r t i c i a l m o d e l s o f t h e m . T h i s d e m a n d s a s t r o n g m e t h o d o l o g y t h a t e n s u r e s

t h a t t h e r e s u l t s o f t h e i n v e s t i g a t i o n s a r e c o m p a r a b l e w i t h t h e o u t c o m e s o f e x p e r i m e n t s o n

r e a l a n i m a l s i n o r d e r t o b e a b l e t o m a k e a n y c o m p a r i s o n s . A s a c o n s e q u e n c e , b i o - r o b o t i c s

d e m a n d s s o m e s e r i o u s c o n s i d e r a t i o n s o n h o w t h e r e s e a r c h i s c o n d u c t e d . I n t h i s s e n s e t h i s

w o r k d i e r s f r o m t h e e x p e r i m e n t s i n o n - l i n e e v o l u t i o n d e s c r i b e d a b o v e i n w h i c h n o c l a i m s

a r e m a d e o n b i o l o g i c a l s y s t e m s .

1 . 3 T h e t e s t c a s e : e v o l u t i o n o f c r i c k e t a c o u s t i c c o m -

m u n i c a t i o n

T o i l l u s t r a t e t h e p r o p o s e d m e t h o d o l o g y f o r t h e u s e o f e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n i n b i o -

r o b o t i c s , I s h a l l d e s c r i b e e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d w i t h a r o b o t i c m o d e l o f c r i c k e t p h o n o t a x i s

i n t h e l i g h t o f t h e e v o l u t i o n o f a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n .

C r i c k e t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n

F e m a l e c r i c k e t s u s e t h e i r a b i l i t y t o p e r f o r m p h o n o t a x i s t o n d m a t e s w h o e m i t t h e t y p i c a l

c a l l i n g s o n g f o u n d i n c r i c k e t s . T h e y a r e n o t o n l y a b l e t o d e t e r m i n e t h e d i r e c t i o n a l i t y

o f t h e s o n g b u t a r e a l s o a b l e t o d i s t i n g u i s h t h e s p e c i c s o n g o f t h e i r o w n s p e c i e s f r o m

s o n g p a t t e r n s o f o t h e r s p e c i e s . C r i c k e t s p e c i e s t h a t l i v e t o g e t h e r i n o n e a r e a a n d t h a t u s e

t h e i r c a l l i n g s o n g s a t t h e s a m e m o m e n t s u s u a l l y h a v e d i e r e n t l y s t r u c t u r e d ( o r p i t c h e d )

c a l l i n g s o n g s i n o r d e r t o r e d u c e i n t e r f e r e n c e . B e c a u s e o n l y m a t i n g w i t h c o n s p e c i c m a l e s

p r o d u c e s f e r t i l e o s p r i n g , f e m a l e p h o n o t a x i s i s t u n e d t o t h e c a l l i n g s o n g o f c o n s p e c i c

m a l e s .


13/145

1 . 4 . O U T L I N E S O F T H E D I S S E R T A T I O N 1 3

A c r i c k e t r o b o t

I s h a l l c o n t i n u e t h e w o r k o f W e b b , H a l l a m a n d L u n d w h o d e v e l o p e d a ` r o b o t c r i c k e t '

a t t h e D e p a r t m e n t o f A r t i c i a l I n t e l l i g e n c e a t t h e U n i v e r s i t y o f E d i n b u r g h . T h e r o b o t

m o d e l c o m p r i s e s a s e t o f e l e c t r o n i c ` e a r s ' t h a t t o n t o p o f a k h e p e r a r o b o t M o n d a d a

e t a l . , 1 9 9 3 ] . T h e r o b o t m o d e l a p p r o x i m a t e s t h e a u d i t o r y a n d m o t i o n s y s t e m o f t h e f e m a l e

c r i c k e t . A b o v e m e n t i o n e d r e s e a r c h e r s a l s o i m p l e m e n t e d a n e u r a l c o n t r o l m e c h a n i s m f o r

p h o n o t a x i s b e h a v i o u r t h a t i s h y p o t h e s i z e d i n b i o l o g y L u n d e t a l . , 1 9 9 8 ] .

E v o l v i n g t h e r o b o t c r i c k e t

T h e r o b o t m o d e l a n d c o n t r o l m e c h a n i s m t h a t p r o v e d t o b e a v i a b l e m o d e l o f c r i c k e t

p h o n o t a x i s b e f o r e L u n d e t a l . , 1 9 9 7 , 1 9 9 8 ] o e r a g o o d t e s t c a s e t o t r y e v o l u t i o n a r y

e x p e r i m e n t s o n . B o t h t h e h a r d w a r e | w h i c h i s p a r t l y p r o g r a m m a b l e | a n d t h e s o f t -

w a r e c o n t a i n a f e w p a r a m e t e r s t h a t c a n b e e v o l v e d . A l s o t h e q u a l i t y o f t h e p h o n o t a x i s

b e h a v i o u r s h o w n b y t h e r o b o t g e t s g r a d u a l l y b e t t e r a s t h e s e t o f p a r a m e t e r s a p p r o a c h e s

t h e o p t i m u m . T h i s m e a n s t h a t s t a r t i n g w i t h r o u g h l y a p r o p e r s e t o f p a r a m e t e r s , a n

e v o l u t i o n a r y a l g o r i t h m s h o u l d b e a b l e t o o p t i m i z e i t

5

. F u r t h e r m o r e h y p o t h e s e s e x i s t i n

b i o l o g i c a l l i t e r a t u r e o n e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o s t h a t d e s c r i b e t h e p h y l o g e n e t i c c h a n g e i n

c r i c k e t a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n . I s h a l l s e l e c t o n e s u c h s c e n a r i o t o b a s e t h e e x p e r i m e n t

o n .

1 . 4 O u t l i n e s o f t h e d i s s e r t a t i o n

I n t h e n e x t f e w c h a p t e r s I s h a l l g r a d u a l l y s e t u p a f r a m e o f r e f e r e n c e w i t h i n w h i c h t h e

a i m s o f t h i s p r o j e c t c a n b e f u l l l e d . I n t h e s e c o n d c h a p t e r I s h a l l r s t s a y m o r e a b o u t

t h e o r i g i n o f b i o - r o b o t i c s a n d s h a l l i n t r o d u c e t h e p r o p o s e d m e t h o d o l o g y . T h a t c h a p t e r

5

N o t i c e t h e s l i g h t d i e r e n c e i n t h e u s e o f t h e w o r d ` o p t i m i z a t i o n ' h e r e a n d i n t h e s e c t i o n o n h i s t o r i c a l

b a c k g r o u n d a b o v e . A l t h o u g h e s s e n t i a l l y t h e s a m e , I t r y t o u s e g e n e t i c a l g o r i t h m s n o t a s a n o p t i m i z a t i o n

t e c h n i q u e p e r s e , b u t a s a m e a n s o f r e p r o d u c i n g e v o l u t i o n a r y s c e n a r i o s .


14/145


w i l l a l s o c o n t a i n s o m e p h i l o s o p h i c a l c o n s i d e r a t i o n s o n s t u d y i n g i n t e l l i g e n c e a n d l i f e w i t h i n

t h i s e l d .

A f t e r t h a t I g i v e a n i n t r o d u c t i o n t o t h e e t h o l o g y a n d n e u r o p h y s i o l o g y o f c r i c k e t a c o u s -

t i c c o m m u n i c a t i o n a n d g i v e s y s t e m a t i c s o n s o m e s p e c i c c r i c k e t s p e c i e s , r e l e v a n t f o r t h i s

p r o j e c t . I n t h e s a m e c h a p t e r I g i v e a n o v e r v i e w o f w h a t i s k n o w n a b o u t t h e e v o l u t i o n

o f c r i c k e t s o n g a n d p h o n o t a x i s b e h a v i o u r . E v o l u t i o n o f c r i c k e t s o n g i s m a i n l y s t u d i e d b y

c o m p a r i n g c o n t e m p o r a r y s p e c i e s . I t i s q u i t e i n t e r e s t i n g w h a t t h i s c a n t e l l u s a b o u t t h e

e v o l u t i o n o f t h e i r a u d i t o r y c o m m u n i c a t i o n .

A f t e r t h e s e c h a p t e r s o f b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n o n t h e p r o p o s e d m e t h o d o l o g y a n d

t h e b i o l o g i c a l s y s t e m o f i n t e r e s t , I s h a l l i n t r o d u c e t h e s p e c i c m o d e l I w o r k e d w i t h . A s

s a i d a b o v e , I u s e d a r o b o t i c m o d e l o f a f e m a l e c r i c k e t t o i n v e s t i g a t e t h e p o s s i b i l i t i e s o f

i n t r o d u c i n g e v o l u t i o n a r y c o m p u t a t i o n i n t o b i o - r o b o t i c s . I n t h e s e c h a p t e r s ( 4 , 5 , a n d 6 )

I s h a l l g i v e a n e x a m p l e o f h o w t h i s a c t u a l l y c a n b e d o n e . I s h a l l e l a b o r a t e o n t h e r o b o t

a n d i t s e l e c t r o n i c p l u g - i n , o n t h e s o f t w a r e ( b o t h t h e s o f t w a r e t h a t i s d o w n l o a d e d t o t h e

r o b o t a n d t h e s o f t w a r e t h a t r u n s i n t h e P C ) , o n t h e e x t r a d e v i c e s l i k e a c a m e r a a n d a

s o u n d s y s t e m a n d o n h o w a l l t h i s i s l i n k e d t o g e t h e r i n t o o n e r u n n i n g s y s t e m . T h e n I s h a l l

g i v e d e t a i l s o n t h e e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d . T h e r e s u l t s a r e s h o w n a n d a r e s t a t i s t i c a l l y

a n a l y s e d .

I n t h e n a l c h a p t e r I c o m e b a c k t o t h e a i m s p u t f o r w a r d i n t h i s c h a p t e r . I s h a l l

r e v i e w t h e m e t h o d o l o g y , t a k i n g t h e r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t s i n t o c o n s i d e r a t i o n , a n d

e v a l u a t e t h e p r o j e c t i t s e l f . I t w i l l b e c o m e c l e a r t h a t t h e v a l u e o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s

i s d e p e n d e n t o n t h e a c c u r a c y i n m o d e l l i n g .


15/145

C h a p t e r 2

B i o - r o b o t i c s : o r i g i n a n d

m e t h o d o l o g y

T h e e l d o f b i o - r o b o t i c s i s s t i l l y o u n g a n d n o t y e t p r e c i s e l y d e n e d . Y e t , t o d o i n v e s t i g a -

t i o n s i n t h i s e l d o n e h a s t o g e t a g r i p o n t h e i d e a s i t a d v o c a t e s a n d o p p o s e s a n d o n i t s

m e t h o d o l o g y .

A s m o s t e l d s o f i n v e s t i g a t i o n , b i o - r o b o t i c s c a m e f o r t h f r o m d i e r e n t d i s c i p l i n e s t h a t

d i d n o t ( a n d s t i l l d o n o t ) a l w a y s s h a r e m e t h o d s a n d a s s u m p t i o n s . S t a r t i n g f r o m t h i s

s i t u a t i o n i t i s d i c u l t t o e s t a b l i s h a n e w e l d w i t h a n o w n c h a r a c t e r .

T h e w i d e g a p b e t w e e n t h e l i f e s c i e n c e s a n d a c o m p u t a t i o n a l s c i e n c e s u c h a s a r t i c i a l

i n t e l l i g e n c e ( A I ) c a u s e s s p e c i a l d i c u l t i e s i n c o m m u n i c a t i o n a n d i n t r u s t i n e a c h o t h e r ' s

w o r k ; b u t a l s o w i t h i n a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e t h e m a n y d i e r e n t a p p r o a c h e s t o s t u d y i n g

i n t e l l i g e n c e c o l l i d e a n d p r e v e n t a s i n g l e a p p r o a c h f r o m c o m i n g t o e x i s t e n c e . F i n a l l y t h e

f r i c t i o n b e t w e e n e n g i n e e r i n g a n d t h e o r e t i c a l s c i e n c e w i t h i n a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e i s s o m e -

t h i n g a l s o b i o - r o b o t i c s h a s t o d e a l w i t h .

I s h a l l d e s c r i b e w h e r e t h e e l d o r i g i n a t e d f r o m , h o w i t i s p h i l o s o p h i c a l l y v a l i d a t e d , a n d

I s h a l l p r o p o s e a m e t h o d o l o g y . I n t h i s I s h a l l f o l l o w W e b b 1 9 9 3 ] w h o g a v e a n e x c e l l e n t

s u r v e y o f r e l a t e d w o r k u p t o t h e n a n d i n t r o d u c e d a m e t h o d o l o g y . T h e n I s h a l l a d d a n

e l e m e n t t o t h e m e t h o d o l o g y c o n c e r n i n g e v o l u t i o n , a c c o r d i n g t o m y o w n i n s i g h t s .

1 5


16/145

1 6 C H A P T E R 2 . B I O - R O B O T I C S : O R I G I N A N D M E T H O D O L O G Y

2 . 1 O r i g i n

T o n d o u t f r o m a n A I p o i n t o f v i e w w h a t b i o - r o b o t i c s i s c o n c e r n e d w i t h , o n e r s t h a s

t o g e t a g o o d u n d e r s t a n d i n g o f t h e n a t u r e o f b i o l o g i c a l r e s e a r c h a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f

i t s s u b j e c t s o f i n v e s t i g a t i o n . T h e n o n e h a s t o u n d e r s t a n d t h e i d e a s b e h i n d t h e b e h a v i o u r -

b a s e d a p p r o a c h t o a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e

1

a n d h o w t h i s a p p r o a c h p r o p o s e s t o b u i l d a r t i c i a l

s y s t e m s . T r a d i t i o n a l A I s c i e n t i s t s H a u g e l a n d , 1 9 8 5 ] w i l l h a v e t o l e a v e t h e i r t o p - d o w n

a p p r o a c h t e m p o r a r i l y t o s e e t h a t t h e b e h a v i o u r - b a s e d a p p r o a c h t o A I i s a v i a b l e b o t t o m -

u p a p p r o a c h t o b u i l d i n g r o b u s t c o m p l e t e s y s t e m s t h a t h a s a l o t i n c o m m o n w i t h b i o l o g y .

T h e n i n o r d e r t o f e e l c o m f o r t a b l e w i t h t h i s a p p r o a c h o n e h a s t o f a m i l i a r i z e o n e s e l f w i t h

t h e p h i l o s o p h y s u p p o r t i n g i t .

I t i s i m p o r t a n t t o r e a l i s e t h a t m y m a i n p o i n t h e r e i s i n s u p p o r t i n g t h e b e h a v i o u r - b a s e d

a p p r o a c h a s t h e m o s t s u i t a b l e a p p r o a c h t o t h e a r e a o f r o b o t i c s a n d t h e s t u d y o f a d a p t i v e

b e h a v i o u r . I d o n o t w i s h t o m a k e a n y c l a i m s a b o u t o t h e r a r e a s i n a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e .

F o r b i o l o g i s t s a n d p s y c h o l o g i s t s i t i s a l s o i n t e r e s t i n g t o u n d e r s t a n d t h e b e h a v i o u r - b a s e d

a p p r o a c h t o A I . T h e p h i l o s o p h y t h a t c o v e r s t h i s A I s u b e l d o p p o s e s r e p r e s e n t a t i o n a l i s m

i n p s y c h o l o g y t o o a n d r e v e a l s h o w b i o - r o b o t i c s o v e r l a p s a n d u n i t e s A I a n d t h e l i f e s c i e n c e s .

2 . 1 . 1 B i o l o g y

B i o l o g y i s t h e s c i e n c e o f l i f e a n d l i v i n g e n t i t i e s . I t s t r e t c h e s f r o m t h e m a c r o l e v e l o f

e c o l o g y a n d e v o l u t i o n t o t h e m i c r o l e v e l o f b i o c h e m i s t r y a n d b i o l o g y o f c e l l s . S o m e o f t h e

w o r k i s t h e o r e t i c a l a n d p u r e l y a b s t r a c t . O t h e r w o r k i s o f a n e m p i r i c a l k i n d a n d i n v o l v e s

i n v e s t i g a t i o n o f l i v i n g e n t i t i e s t h e m s e l v e s .

B e f o r e l o o k i n g a t t h e s u b j e c t s o f i n v e s t i g a t i o n , o n e r s t h a s t o u n d e r s t a n d w h a t k i n d

o f r e s e a r c h , p u r s u e d i n b i o l o g y , i s i m p o r t a n t f o r b i o - r o b o t i c s . A f t e r t h a t b i o l o g i c a l s y s t e m s

1

W i t h t h e b e h a v i o u r - b a s e d a p p r o a c h t o A I I m e a n t h e b o t t o m - u p a p p r o a c h s t u d y i n g a d a p t i v e b e -

h a v i o u r , r a t h e r t h a n t h e c l a s s i c a l s y m b o l i c t o p - d o w n a p p r o a c h . F i e l d s c l o s e l y r e l a t e d t o , o r a s u b e l d o f

t h i s a p p r o a c h i n c l u d e a r t i c i a l l i f e , e m b o d i e d A I , t h e a n i m a t a p p r o a c h , n o n - s y m b o l i c A I a n d t h e c o m p l e t e

s y s t e m s a p p r o a c h . T h i s d i s t i n c t i o n w i l l b e c o m e c l e a r e r l a t e r i n t h i s s e c t i o n .


17/145


18/145


e v o l u t i o n a r y f o r c e s

2

. T h e c h a n g e s a r e e s t a b l i s h e d b y r a n d o m m u t a t i o n a n d r e c o m b i n a t i o n

o f t h e g e n e t i c c o d e d e n i n g t h e s h a p e a n d b e h a v i o u r o f a n o r g a n i s m . N a t u r a l a n d s e x u a l

s e l e c t i o n f a v o u r t h o s e r a n d o m c h a n g e s t h a t s e r v e a n o r g a n i s m b e s t w i t h r e s p e c t t o t h e

e v o l u t i o n a r y f o r c e s w o r k i n g o n i t .

F o r e x a m p l e , M c F a r l a n d 1 9 9 3 ] m e n t i o n s t h e c h a n g e i n c o l o u r o f t h e p e p p e r e d m o t h

B i s t o n b e t u l a r i a t h a t r e s t s o n t r e e t r u n k s w h e r e i t i s p r e y e d u p o n b y b i r d s . D u r i n g t h e

i n d u s t r i a l r e v o l u t i o n o f t h e n i n e t e e n t h c e n t u r y , i n c r e a s i n g l y m o r e m o t h s i n p o l l u t e d a r e a s

o f E n g l a n d t o o k a d a r k a p p e a r a n c e , i n c o n t r a s t w i t h t h e l i g h t c o l o u r s h o w n b y t h e s p e c i e s

o r i g i n a l l y . I n t h i s c a s e t h e s e l e c t i v e f o r c e w a s p r e d a t i o n a n d n a t u r a l s e l e c t i o n f a v o u r e d

t h o s e i n d i v i d u a l s w h o s e c o l o u r w a s d a r k e r t h a n i t s c o n t e m p o r a r i e s ' , s i n c e t h o s e i n d i v i d u a l s

w e r e b e t t e r c a m o u a g e d o n t h e s o o t - b l a c k e n e d t r e e t r u n k s i n p o l l u t e d a r e a s .

E v o l u t i o n a r y t h e o r y c a n e x p l a i n a s p e c t s o f w h y a n i m a l s b e h a v e t h e w a y t h e y d o a n d

w h y t h e i r b o d y i s s h a p e d t h e w a y i t i s . W i t h r e s p e c t t o n e u r o e t h o l o g y i t c a n t e l l u s h o w

t h e n e u r a l m e c h a n i s m t h a t u n d e r l i e s s p e c i c b e h a v i o u r h a s e v o l v e d . I t c a n a l s o e x p l a i n ,

f r o m a h i s t o r i c a l p o i n t o f v i e w , h o w n e u r a l m e c h a n i s m s a n d b e h a v i o u r o f a c e r t a i n s p e c i e s

r e l a t e t o a n i m a l s c l o s e i n t h e t a x o n o m y .

E v o l u t i o n a r y r e s e a r c h m o s t o f t e n i n v o l v e s s t u d y i n g e v o l u t i o n a r y s t r a t e g i e s i n g e n e r a l .

G a m e t h e o r y a n d d y n a m i c a l s y s t e m s t h e o r y a r e v e r y i m p o r t a n t i n t h i s f o r m o f i n v e s t i -

g a t i o n . F o r e x a m p l e , M a y n a r d S m i t h 1 9 8 2 ] d e v e l o p e d a m a t h e m a t i c a l w a y t o c a l c u l a t e

` e v o l u t i o n a r y s t a b l e s t r a t e g i e s ' ( E S S ) . A n E S S i s a b e h a v i o u r a l s t r a t e g y t h a t c a n n o t b e

i m p r o v e d b y a n a l t e r n a t i v e s t r a t e g y , p r o v i d e d t h a t e n o u g h m e m b e r s o f t h e p o p u l a t i o n

a d o p t t h e s t r a t e g y . I n d i v i d u a l s t h a t a d o p t t h e i r o w n d i e r e n t s t r a t e g y w i l l a l w a y s l o s e

t h e t h e g a m e , b e i t a b o u t n d i n g a f e m a l e t o m a t e w i t h , a h u n t i n g s t r a t e g y o r a n y o t h e r

b e h a v i o u r a l s t r a t e g y .

O t h e r i n v e s t i g a t o r s o f e v o l u t i o n t r y t o n d e v o l u t i o n a r y c h a n g e s i n t r a i t s o f a s p e c i c

o r g a n i s m . T h i s c a n b e d o n e b y i n v e s t i g a t i n g f o s s i l r e c o r d s , b y g e n e t i c e x p e r i m e n t s o n

c o n t e m p o r a r y s p e c i e s , o r b y c l o s e e x a m i n a t i o n o f t h e b e h a v i o u r a n d a n a t o m y o f r e l a t e d

2

T h i s i s t h e n e o - d a r w i n i s t o r a d a p t a t i o n i s t a p p r o a c h .


19/145

2 . 1 . O R I G I N 1 9

s p e c i e s . T h e l a s t s t r a t e g y i s u s u a l l y u s e d b y c r i c k e t i n v e s t i g a t o r s O t t e , 1 9 9 2 , 1 9 9 4 ,

A l e x a n d e r , 1 9 6 2 ] a n d w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e s e c t i o n o n c r i c k e t s .

P i t f a l l s T h e r e a r e t w o i m p o r t a n t p o i n t s t o b e m a d e c o n c e r n i n g n a t u r a l e v o l u t i o n t h a t

a r e o f t e n n e g l e c t e d i n a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e .

T h e r s t p o i n t i s m e n t i o n e d b y D a w k i n s 1 9 7 6 ] a n d s t a t e s t h a t e v o l u t i o n d o e s n o t

d e s i g n a n i m a l s . T h i s i s i n c o n t r a s t w i t h t h e i d e a t h a t o r g a n i s m s d e v e l o p c e r t a i n t r a i t s

i n o r d e r t o s o l v e p r o b l e m s t h e y f a c e . I n s t e a d h e a r g u e s t h a t e v o l u t i o n i s t h e p r o c e s s i n

w h i c h g e n e s t h a t h a p p e n t o h a v e c r e a t e d t h e m s e l v e s a s u i t a b l e b o d y t o s t a y a l i v e f o r a

w h i l e a n d a r e a b l e t o r e p r o d u c e , i n e v i t a b l y b e c o m e m o r e f r e q u e n t i n t h e g e n e p o o l . I n t h e

e n d , a s u c c e s s f u l g e n e i s p r e s e n t i n a l m o s t a l l i n d i v i d u a l s i n a p o p u l a t i o n . A c c o r d i n g t o

t h i s v i e w a g i r a e d i d n o t d e v e l o p a l o n g n e c k i n o r d e r t o e a t t h e l e a v e s o f h i g h t r e e s .

T h e r e a s o n w h y t h e n e c k o f t h e g i r a e g r e w s o l o n g i s s i m p l y b e c a u s e ` g e n e s f o r l o n g

n e c k s ' g a v e t h e b o d y t h a t c a r r i e d t h e m a g r e a t e r c h a n c e o f s u r v i v a l a n d r e p r o d u c t i o n .

C o n s e q u e n t l y t h e s e g e n e s s p r e a d m o r e r a p i d l y i n t h e g e n e p o o l t h a n o t h e r g e n e s a n d a

l o n g n e c k b e c a m e a c o m m o n t r a i t i n g i r a e s . I n t h i s v i e w t h e r e i s n o g o a l i n e v o l u t i o n ,

b e c a u s e t h e r e i s n o e x t e r n a l v i e w e r t h a t g u i d e s e v o l u t i o n t o w a r d s i t . E v o l u t i o n f r o m

t h i s p o i n t o f v i e w i s n o t h i n g m o r e t h a n t h e w o r k i n g o f a d y n a m i c a l s y s t e m w i t h o u t a n y

i n t e n t i o n s . T h e d i c u l t q u e s t i o n i s t h e n o f c o u r s e h o w s e e m i n g l y g o a l - o r i e n t e d b e h a v i o u r

i n m a n y a n i m a l s c a n b e e x p l a i n e d , w h e n t h e g e n e t i c b a s e i t i s c o n s t r u c t e d f r o m ` d o e s n ' t

c a r e ' .

T h e o t h e r p o i n t I m a k e i s t h a t t h e n e u r a l m e c h a n i s m s t h a t c a m e i n t o e x i s t e n c e v i a a n

e v o l u t i o n a r y p r o c e s s a r e n o t n e c e s s a r i l y o p t i m a l m e c h a n i s m s . T h i s , o f c o u r s e , f o l l o w s f r o m

t h e i d e a t h a t n a t u r e d i d n o t d e s i g n a n i m a l s . T h e m e c h a n i s m s e v o l v e d i n t o d a y ' s a n i m a l s

j u s t h a p p e n t o b e g o o d e n o u g h t o h e l p t h e a n i m a l t h e y a r e i n c o r p o r a t e d i n s u r v i v e l o n g

e n o u g h t o p r o d u c e o s p r i n g . M e c h a n i s m s o f a n y k i n d d e v e l o p e d b y n a t u r a l e v o l u t i o n a r e

s u c i e n t b u t n o t a l w a y s o p t i m a l . T h i s i s d e m o n s t r a t e d , f o r e x a m p l e b y I j s p e e r t e t a l .

1 9 9 7 ] w h o m o d e l l e d s w i m m i n g b e h a v i o u r o f l a m p r e y s u s i n g a c o m p u t a t i o n a l m o d e l o f

t h e s h t h a t w a s d e v e l o p e d i n a n a l o g y w i t h t h e n a t u r a l s y s t e m . I n o r d e r t o o p t i m i z e t h e


20/145


c o m p u t a t i o n a l m o d e l t h e y u s e d a g e n e t i c a l g o r i t h m . A f t e r c o m p a r i n g t h e s w i m m i n g b e -

h a v i o u r o f t h e r e a l s h a n d t h e s i m u l a t e d m o d e l , t h e y f o u n d t h a t t h e \ a r t i c i a l c o n t r o l l e r s

. . . , i n s o m e w a y s , a r e m o r e e c i e n t " .

B i o l o g i c a l s y s t e m s

S o m e p r o p e r t i e s A n i m a l s , b e t h e y l a r g e o r s m a l l , l i v e i n t h e r e a l w o r l d a n d a r e a b l e

t o i n t e r a c t w i t h i t . I n o t h e r w o r d s , b i o l o g i c a l s y s t e m s a r e s i t u a t e d i n t h e i r e n v i r o n m e n t .

A n o t h e r i m p o r t a n t a s p e c t o f b i o l o g i c a l s y s t e m s w i t h r e s p e c t t o b i o - r o b o t i c s i s t h a t t h e y

a l w a y s p o s s e s s a b o d y . B i o l o g i c a l s y s t e m s a r e e m b o d i e d . I n f a c t , b i o l o g i c a l s y s t e m s a r e

b o d i e s . T h i s s o u n d s p e r h a p s t r i v i a l b u t , a s w i l l b e c o m e c l e a r l a t e r o n , h a s i m p o r t a n t

c o n s e q u e n c e s f o r t h e a r t i c i a l s y s t e m t o b e b u i l t w h e n p u r s u i n g b i o - r o b o t i c s .

S t u d y i n g s i m p l e a n i m a l s T h e m o s t i n t e r e s t i n g o r g a n i s m s f o r b i o - r o b o t i c s r e s e a r c h

a r e s m a l l , i n s e c t - l i k e a n i m a l s . T h i s i s b e c a u s e i t i s r e l a t i v e l y e a s y i n l o w e r a n i m a l s t o

n d i s o l a t e d a d a p t i v e b e h a v i o u r s t h a t a r e l i k e l y t o b e p r e - p r o g r a m m e d b y a s i m p l e d i r e c t

p a t h w a y i n t h e b r a i n . S e c o n d l y , b e c a u s e o f t h e r e l a t i v e l y s m a l l c o m p l e x i t y o f t h e i r b o d y

p l a n a n d n e u r a l s u b s t r a t e o r c h e s t r a t i n g t h e i r s e n s i n g a n d a c t i o n s t h e s e p a t h w a y s a r e

e x p e c t e d t o b e f o u n d r e l a t i v e l y e a s i l y . T h e b r a i n s o f t h e s e s i m p l e a n i m a l s a r e v e r y s m a l l

c o m p a r e d t o , f o r e x a m p l e , t h e h u m a n b r a i n a n d r e l a t i v e l y m u c h i s k n o w n a b o u t t h e m

b e c a u s e o f t h e i r s i m p l i c i t y . \ P r o b l e m s g e n e r a l t o b i o l o g y , s u c h a s g e n e t i c c o d e s o r n e u r a l

c h e m i s t r y , h a v e b e e n s t u d i e d u s i n g l o w e r a n i m a l s , s u c h a s t h e f r u i t - y o r t h e s e a - s l u g ,

b e c a u s e t h e i r r e l a t i v e s i m p l i c i t y m a k e s i t p o s s i b l e t o s t u d y t h e c o m p l e t e f u n c t i o n i n g o f

t h e s y s t e m " W e b b , 1 9 9 3 ] .

B u t w h a t i s t h e p u r p o s e o f i n v e s t i g a t i n g s i m p l e a n i m a l s e v e n i f t h e i r n e u r a l m e c h a -

n i s m s c a n b e e a s i l y u n d e r s t o o d ? A p o s s i b l e a n s w e r i s t h a t t h e s e s i m p l e m e c h a n i s m s c a n b e

d i r e c t l y i m p l e m e n t e d i n a w o r k i n g a r t i c i a l s y s t e m t h a t i s m e a n t t o p e r f o r m s i m p l e t a s k s .

T h i s i s a n e n g i n e e r i n g a p p r o a c h t h a t c o u l d b e n e t a l o t f r o m t h e m e c h a n i s m s t h a t w e r e

e v o l v e d i n n a t u r e i n c o n n e c t i o n w i t h s e v e r a l p r o b l e m s

3

. A n o t h e r r e a s o n f o r i n v e s t i g a t i n g

3

A g a i n , e n g i n e e r s h a v e t o t a k e i n t o c o n s i d e r a t i o n t h a t t h e s e s o l u t i o n s a r e n ' t n e c e s s a r y o p t i m a l s o l u -


21/145

2 . 1 . O R I G I N 2 1

s i m p l e a n i m a l s m i g h t b e t h e f a c t t h a t i n v e s t i g a t i n g n e u r a l m e c h a n i s m s i n s i m p l e a n i m a l s

c a n t e l l u s s o m e t h i n g a b o u t m o r e c o m p l e x a n i m a l s w h o s e n e u r a l m e c h a n i s m s a r e m o r e

d i c u l t | i f n o t i m p o s s i b l e | t o i n v e s t i g a t e ( i . e . r e s e a r c h o n s i m p l e a n i m a l s m i g h t s c a l e

u p t o m o r e c o m p l e x a n i m a l s ) . B u t i n d o i n g s o , W e b b 1 9 9 3 ] p o i n t s o u t , o n e h a s t o t a k e

c a r e n o t t o g e n e r a l i z e t h e v e r y n e u r a l p l a n a n d b e h a v i o u r a l s t r a t e g i e s o f s i m p l e a n i m a l s

t o v a r i o u s k i n d s o f l a r g e r a n i m a l s | a m o n g s t w h i c h h u m a n s . P r o d u c t s o f e v o l u t i o n w i t h

r e s p e c t t o c o m m o n e v o l u t i o n a r y f o r c e s a r e u n i q u e i n e v e r y a n i m a l g r o u p . I t i s n a i v e t o

t h i n k \ t h a t t h e r e m u s t b e c o m m o n p r i n c i p l e s o f n e u r a l o r g a n i z a t i o n a n d f u n c t i o n s o t h a t

t h e s e ` s i m p l e s y s t e m s ' c o u l d s e r v e a s m o d e l s f o r m o r e c o m p l e x o n e s , i n c l u d i n g m a m m a l s . "

H o y l e , 1 9 8 3 ] . O n t h e o t h e r h a n d i t w o u l d b e v e r y h e l p f u l t o s t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c s

o f s u c h ` s i m p l e s y s t e m s ' n e c e s s a r y t o p e r f o r m t h e i r t a s k s s u c c e s s f u l l y . T h e s e c h a r a c t e -

r i s t i c s m i g h t v e r y w e l l b e r e e c t e d i n m o r e c o m p l e x a n i m a l s . I n t h i s w a y o n e c o u l d g e t

u n d e r s t a n d i n g o f t h e n a t u r e o f t h e n e u r a l s y s t e m s t h a t u n d e r l i e b e h a v i o u r W e b b , 1 9 9 3 ] .

I n r e c e n t y e a r s , m o r e a n d m o r e A I s c i e n t i s t s b e c a m e a w a r e o f t h e f a c t t h a t c h a r a c t e -

r i s t i c s o f s i m p l e a n i m a l s ' b r a i n s s h o u l d b e b e t t e r s t u d i e d a n d i n c o r p o r a t e d i n t h e d e s i g n

o f r o b o t c o n t r o l m e c h a n i s m s . H o w t h i s h a p p e n e d i n p r a c t i c e , I w i l l e x p l a i n l a t e r . I s h a l l

r s t s a y m o r e a b o u t w h a t t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s e x a c t l y a r e . I f o l l o w W e b b 1 9 9 3 ] i n s a y i n g

t h a t b r a i n s o f s i m p l e a n i m a l s a r e t y p i c a l l y :

S p e c i a l i z e d T h e n e u r a l m e c h a n i s m s t h a t m a k e u p t h e b r a i n o f a s i m p l e a n i m a l

a r e u n i q u e f o r t h e a n i m a l g r o u p i t b e l o n g s t o . A s I s a i d a b o v e , e v o l u t i o n d i d n o t

d e s i g n a n i m a l s a c c o r d i n g t o a x e d s c h e m e . E v e r y s p e c i e s e v o l v e d i n i t s o w n u n i q u e

w a y . V o n H e l v e r s e n a n d V o n H e l v e r s e n 1 9 9 5 ] s h o w t h a t t h e s o u n d p r o c e s s i n g i n o r -

t h o p t e r a n i n s e c t s i s d e v e l o p e d d i e r e n t l y i n g r a s s h o p p e r s a n d c r i c k e t s , a l t h o u g h t h e

t a s k i s t h e s a m e . R e c o g n i t i o n o f a c o u s t i c p a t t e r n s a n d o r i e n t a t i o n i n g r a s s h o p p e r s

i s d o n e i n p a r a l l e l , w h i l e t h e t w o p r o c e s s e s i n c r i c k e t s a r e p e r f o r m e d s e q u e n t i a l l y .

A n d e v e n s m a l l b r a i n p a r t s w i t h i n a s p e c i a l i z e d b r a i n a r e e s p e c i a l l y e v o l v e d f o r

h i g h l y s p e c i a l i z e d t a s k s t h a t w o r k r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t l y o f e a c h o t h e r . T h e i d e a

t i o n s , b u t a r e j u s t s u c i e n t t o d o t h e j o b .


22/145


o f a b r a i n a s a g e n e r a l p u r p o s e m a c h i n e d o e s n o t h o l d i n s i m p l e o r g a n i s m s . F o r

e x a m p l e , t h e b i o l o g i s t s A l t m a n a n d K i e n 1 9 8 9 ] p r o p o s e a m o d e l o f i n s e c t l o c o m o -

t i o n . I n t h i s m o d e l t h e r e i s n o c e n t r a l c o o r d i n a t o r t h a t r e a d s t h e i n c o m i n g s e n -

s o r v a l u e s a n d s u b s e q u e n t l y c a l c u l a t e s a n a p p r o p r i a t e r e s p o n s e . C o n t r o l i s h i g h l y

d i s t r i b u t e d a n d t h e d i e r e n t s p e c i a l i z e d b e h a v i o u r a l m o d u l e s t h e y p r o p o s e w o r k

r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t l y o f e a c h o t h e r .

N o n - s y m b o l i c T h e b e h a v i o u r o f l o w e r a n i m a l s i s u s u a l l y n o t d e s c r i b e d i n t e r m s o f

s y m b o l m a n i p u l a t i o n , b u t a s t h e i n t e r a c t i o n o f m a n y s i m p l e b e h a v i o u r s ( e t h o l o g y ) .

N e u r o e t h o l o g y g o e s f u r t h e r a s i t t r i e s t o i d e n t i f y n e u r a l m e c h a n i s m s f o r b e h a v i o u r ;

b u t a n i m a l b e h a v i o u r i s r a r e l y v i e w e d i n t h e l i g h t o f k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n a n d

m a n i p u l a t i o n . T h i s s t r o n g l y c o n t r a s t s t o t h e w a y h u m a n t h o u g h t i s s t u d i e d i n

c o g n i t i v e p s y c h o l o g y .

I n t h e l a t t e r e l d , s y m b o l - b a s e d r e a s o n i n g p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e ; i n t h e f o r m e r i t

d o e s n o t .

R e a c t i v e M u c h o f t h e b r a i n o f l o w e r i n s e c t s i s j u s t a r e a c t i v e p i e c e o f m a c h i n e r y .

T h i s m e a n s t h a t s e n s o r s a r e v e r y t i g h t l y c o u p l e d w i t h a c t u a t o r s . T h i s i s i n c o n t r a s t

w i t h b r a i n s t h a t s h o w i n t e n t i o n s t o p e r f o r m a c t i o n s . I t w i l l b e c o m e c l e a r t h a t t h e

b a s i c m e c h a n i s m o f c r i c k e t p h o n o t a x i s i s i n e s s e n c e a r e a c t i v e m e c h a n i s m . T h e

s t i m u l u s t o t h e e a r o f t h e f e m a l e c r i c k e t i s d i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e m o t o r s y s t e m

H u b e r e t a l . , 1 9 8 9 ] . T h e r e a r e n o i n t e n t i o n s i n t h e a n i m a l t o n a v i g a t e t o w a r d s a n

i n c o m i n g s t i m u l u s .

P h y s i c a l l y w e l l s h a p e d I n a l l a n i m a l s t h e m o r p h o l o g y o f t h e b o d y i s a s i m p o r t a n t

a s t h e n e u r a l s t r u c t u r e t h a t l i n k s s e n s o r s t o a c t u a t o r s . T h i s m e a n s t h a t t h e p o s i t i o n

o f d i e r e n t s e n s o r s a n d a c t u a t o r s r e l a t i v e t o e a c h o t h e r i s o f g r e a t i m p o r t a n c e i n

h a v i n g t h e n e u r a l m e c h a n s m p e r f o r m i t s t a s k c o r r e c t l y . S c h n i t z l e r a n d H e n s o n

1 9 8 0 ] , M o g d a n s e t a l . 1 9 8 8 ] a n d P y e e t a l . 1 9 6 2 ] s t r e s s t h e i m p o r t a n c e o f t h e

p o s i t i o n o f t h e p i n n a o f a b a t i n l o c a t i n g ( y i n g ) o b j e c t s . B y p e r f o r m i n g e c h o l o c a t i o n


23/145

2 . 1 . O R I G I N 2 3

w i t h t h e p i n n a e c o n s e c u t i v e l y p o s i t i o n e d i n d i e r e n t o r i e n t a t i o n s t h e b a t w i l l b e a b l e

t o o b t a i n a n e v e r i n c r e a s i n g a c c u r a c y i n l o c a t i n g a p r e y .

L i t t l e d e p e n d e n t o n l e a r n i n g M o s t , i f n o t a l l , o f t h e n e u r a l m e c h a n i s m o f s i m p l e

a n i m a l s t h a t a r e o f i n t e r e s t t o b i o - r o b o t i c s i s g e n e t i c a l l y d e t e r m i n e d a n d p e r f o r m s

i n r o u g h l y t h e s a m e w a y t h r o u g h o u t t h e o r g a n i s m ' s l i f e . W e b b 1 9 9 3 ] p o i n t s o u t

t h a t \ I t . . . a p p e a r s t h a t t h e e x t e n t t o w h i c h b e h a v i o u r c a n b e m o d i e d , e v e n i n

h i g h e r a n i m a l s , i s q u i t e s t r o n g l y c o n s t r a i n e d b y g e n e t i c d i s p o s i t i o n s " . S h e t h e n

a r g u e s t h a t t h i s m o d i c a t i o n o f b e h a v i o u r h a p p e n s t h r o u g h h a b i t u a t i o n a n d s e n s i -

t i z a t i o n e e c t s w h i c h c a n n o t b e i n c l u d e d a s e x a m p l e s o f l e a r n i n g . S h e c o n t i n u e s t h a t

\ l e a r n i n g i n v o l v e s m o r e l o n g - t e r m a l t e r a t i o n o f b e h a v i o u r t h a t r e q u i r e s r e f e r e n c e t o

t h e o r g a n i s m ' s e x p e r i e n t a l h i s t o r y t o e x p l a i n . " S h e c o n c l u d e s t h a t a l t h o u g h t h e

b o u n d a r i e s b e t w e e n l o n g - t e r m l e a r n i n g e e c t s a n d n e u r a l a d a p t a t i o n a r e n o t s h a r p ,

t h e r e i s a \ q u a l i t a t i v e d i e r e n c e b e t w e e n a t e m p o r a r i l y r e d u c e d r e a c t i o n t o r a p i d l y

r e p e a t e d s t i m u l i , s u c h a s t h e g i l l w i t h d r a w a l r e e x o f A p l y s i a , a n d t h e a b i l i t y t o

r e l o c a t e a f o o d s o u r c e u s i n g a l e a r n e d r o u t e a s e x e m p l i e d i n t h e h o n e y b e e . "

S u m m a r y

I n t h i s s e c t i o n o n b i o l o g y i t i s p o i n t e d o u t t h a t n e u r o e t h o l o g y | s t u d y i n g t h e n e u r a l

m e c h a n i s m t h a t u n d e r l i e s b e h a v i o u r | i s a n i m p o r t a n t s u b e l d o f b i o l o g y w i t h r e s p e c t

t o b i o - r o b o t i c s . A l s o e v o l u t i o n a r y b i o l o g y i s i m p o r t a n t a s i t c a n g i v e h i s t o r i c a l e v i d e n c e

f o r n e u r a l m e c h a n i s m s a n d b e h a v i o u r a n d a s i t c a n l i n k d i e r e n t s p e c i e s c l o s e i n t h e

t a x o n o m y .

W h e n s t u d y i n g e v o l u t i o n , o n e h a s t o b e c a r e f u l n o t p e r c e i v e i t a s a p r o c e s s o f d e s i g n ,

b u t a s t h e a c t i v i t y o f a d y n a m i c a l s y s t e m t h a t w o r k s w i t h o u t a n y p a r t i c u l a r p u r p o s e .

A l s o t h e p r o d u c t s o f e v o l u t i o n t h a t c a m e i n t o e x i s t e n c e b y a c c i d e n t a n d w e r e f a v o u r e d

a n d r e n e d b y n a t u r a l s e l e c t i o n , a r e n o t o p t i m a l b u t m e r e l y s u c i e n t .

B i o l o g i c a l s y s t e m s a r e s i t u a t e d i n t h e i r r e a l - w o r l d e n v i r o n m e n t a n d e m b o d i e d , w h i l e

c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e i r b r a i n s a r e : s p e c i a l i z a t i o n , l a c k o f r e p r e s e n t a t i o n s , r e a c t i v i t y , i m -


24/145


p o r t a n c e o f m o r p h o l o g y a n d l i m i t e d r o l e o f l e a r n i n g .

2 . 1 . 2 A r t i c i a l i n t e l l i g e n c e

T h e o r i g i n o f t h e e l d o f a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e g o e s b a c k t o t h e e a r l y 1 9 5 0 ' s w h e n p e o p l e

s t a r t e d t o r e a l i z e t h a t c o m p u t a t i o n c o u l d b e u s e d i n s t u d y i n g i n t e l l i g e n c e . T h e o r i g i -

n a l a p p r o a c h t o s t u d y i n g h u m a n i n t e l l i g e n c e b y b u i l d i n g i n t e l l i g e n t m a c h i n e s h a s b e e n

a d a p t e d a l o t o f t i m e s . P e o p l e d i s c u s s t h e n a t u r e o f i n t e l l i g e n c e a n d t h e w a y s t o r e a c h u n -

d e r s t a n d i n g o f i t . K e y i s s u e s i n t h i s d i s c u s s i o n a r e t h e u s e o f s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n a n d

t h e q u e s t i o n h o w t o d e c o m p o s e t h e p r o b l e m o f i n t e l l i g e n c e , i n o r d e r t o b e a b l e t o t a c k l e

i t . T h e g e n e r a l t e n d e n c y o f b e h a v i o u r - b a s e d A I B r o o k s , 1 9 9 1 , W i l s o n , 1 9 9 1 , M e y e r a n d

G u i l l o t , 1 9 9 1 , M a e s , 1 9 9 2 ] a s o p p o s e d t o t h e s y m b o l - b a s e d a p p r o a c h H a u g e l a n d , 1 9 8 5 ] i s

n o t t o d e c o m p o s e t h e p r o b l e m o f i n t e l l i g e n c e i n t o f u n c t i o n s

4

, l i k e s e n s i n g , p l a n n i n g a n d

a c t i n g , b u t i n t o s i m p l e b e h a v i o u r s t h a t c a n w o r k t o g e t h e r a n d f r o m w h i c h m o r e c o m p l e x

b e h a v i o u r a s w e s e e i n a n i m a l s a n d h u m a n s c a n e m e r g e . B e h a v i o u r - b a s e d A I a l s o t e n d s

t o r e l y l e s s ( o r e n t i r e l y n o t ) o n t h e u s e o f c e n t r a l s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n s .

T h e c l o s e s t r e l a t e d e l d o f r e s e a r c h w i t h i n t h e b e h a v i o u r - b a s e d a p p r o a c h t o A I w i t h

r e s p e c t t o b i o - r o b o t i c s i s t h e a n i m a t s e l d W i l s o n , 1 9 8 5 ] . I n f a c t , b i o - r o b o t i c s c a n b e

v i e w e d a s a s p e c i c c a s e o f t h e a n i m a t s e l d . O t h e r e l d s i m p o r t a n t f o r t h i s p r o j e c t i n

p a r t i c u l a r a r e c o m p u t a t i o n a l n e u r o e t h o l o g y a n d e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s . I t w i l l b e c o m e

c l e a r t h a t t h e g e n e r a l s c o p e o f a l l t h r e e o f t h e s e e l d s i s t o o w i d e t o s e r v e t h e a i m s o f

b i o - r o b o t i c s . T h e r e a r e s o m e c o n s t r a i n t s i m p o s e d o n t h e m i f t h e y a r e t o b e u s e d t o s t u d y

r e a l b i o l o g i c a l s y s t e m s .

T h e a n i m a t s a p p r o a c h i s v e r y c l e a r l y d i s c u s s e d b y P f e i f e r 1 9 9 6 ] , c o n t r a s t i n g t h e e l d

w i t h t h e c l a s s i c a l a p p r o a c h . I n d e s c r i b i n g t h e o t h e r t w o e l d s t h a t a r e o f r e l e v a n c e I s h a l l

f o l l o w N o l 1 9 9 8 ] ( e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s ) a n d C l i 1 9 9 5 ] ( c o m p u t a t i o n a l n e u r o e t h o l o g y ) .

4

S p l i t t i n g u p t h e p r o b l e m o f m i n d i n t o d i e r e n t m e n t a l f u n c t i o n s i s s u p p o r t e d b y t h e f u n c t i o n a l i s t

t r a d i t i o n i n p h i l o s o p h y


25/145

2 . 1 . O R I G I N 2 5

T h e a n i m a t a p p r o a c h

T h e m o s t i m p o r t a n t a p p r o a c h f o r b i o - r o b o t i c s w i t h i n A I i s t h e a n i m a t a p p r o a c h . T h i s

a p p r o a c h p r o p o s e s t o s t u d y n a t u r a l a d a p t i v e s y s t e m s b y b u i l d i n g a r t i c i a l a u t o n o m o u s

a g e n t s . N o t e t h e u s e o f t h e w o r d ` a d a p t i v e ' w h i c h w a s i n t r o d u c e d t o r e p l a c e t h e t e r m ` i n -

t e l l i g e n t ' t o d i e r e n t i a t e t h i s n e w a p p r o a c h f r o m t h e c l a s s i c a l a p p r o a c h . M a e s 1 9 9 2 ] c a l l s

t h e a n i m a t a p p r o a c h ` t h e b o t t o m - u p a p p r o a c h t o a r t i c i a l i n t e l l i g e n c e ' . T h i s i n d i c a t e s

t h a t t h e a n i m a t a p p r o a c h i s n o t a s m u c h i n t e r e s t e d i n t r a d i t i o n a l ` i n t e l l i g e n t ' t a s k s s u c h

a s c h e s s a n d m a t h e m a t i c a l p r o b l e m s o l v i n g , b u t r a t h e r l o o k s a t s e e m i n g l y s i m p l e t a s k s

s u c h a s n a v i g a t i n g i n a r e a l w o r l d e n v i r o n m e n t a n d i n t e r a c t i n g w i t h i t . T h e s e t a s k s n e e d

l o w - l e v e l a d a p t i v e p r o p e r t i e s i n a g e n t s t h a t a r e t o p e r f o r m t h e m , r a t h e r t h a n h i g h - l e v e l

i n t e l l e c t u a l s k i l l s n e e d e d t o s o l v e a l o g i c p u z z l e .

P f e i f e r 1 9 9 6 ] g i v e s a n u m b e r o f d e s i g n p r i n c i p l e s f o r a u t o n o m o u s a g e n t s c o n c e r n i n g

t h e f o l l o w i n g c a t e g o r i e s .

T y p e s o f a g e n t s o f i n t e r e s t , e c o l o g i c a l n i c h e a n d t a s k s T h i s c a t e g o r y i n v o l v e s

t h e ` c o m p l e t e s y s t e m s ' p r i n c i p l e a n d t h e ` e c o l o g i c a l n i c h e ' p r i n c i p l e . T h e ` c o m p l e t e

s y s t e m s ' p r i n c i p l e d e m a n d s a u t o n o m y , s e l f - s u c i e n c y , e m b o d i m e n t a n d s i t u a t e d n e s s

f r o m a u t o n o m o u s a g e n t s . T h e ` e c o l o g i c a l n i c h e ' p r i n c i p l e r e e c t s t h e n e e d t o d e s i g n

e v e r y a g e n t f o r a p a r t i c u l a r e c o l o g i c a l n i c h e .

M o r p h o l o g y , a r c h i t e c t u r e a n d m e c h a n i s m T h i s c a t e g o r y g i v e s p r i n c i p l e s s u c h

a s a b e h a v i o u r - b a s e d c o n t r o l a r c h i t e c t u r e a n d t h e n e e d f o r ` c h e a p ' d e s i g n s u s i n g t h e

s i m p l e s t c o m b i n a t i o n o f s e n s o r s , a c t u a t o r s a n d c o n t r o l m e c h a n i s m .

S t r a t e g i e s , h e u r i s t i c s , s t a n c e s a n d m e t a p h o r s T h i s l a s t c a t e g o r y c o n c e r n s t h e

d e s i g n p r o c e s s i t s e l f , b u t \ t h e s e p r i n c i p l e s a r e l e s s w e l l a r t i c u l a t e d . " P f e i f e r , 1 9 9 6 ]

C o n t r a s t s w i t h t h e c l a s s i c a l a p p r o a c h A s I s a i d b e f o r e t h e b e h a v i o u r - b a s e d a p -

p r o a c h t o A I , s o m e t i m e s r e f e r e d t o a s n o u v e l l e A I B o d e n , 1 9 9 6 ] , t o w h i c h t h e a n i m a t

a p p r o a c h b e l o n g s , d i s t i n g u i s h e s i t s e l f f r o m c l a s s i c a l A I i n t w o m a i n w a y s .


26/145


T h e a b s e n s e o f c e n t r a l s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n T h e r s t d i e r e n c e i s c o n -

c e r n e d w i t h t h e i s s u e o f s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n a n d m o d e l l i n g o f t h e w o r l d . A

t r a d i t i o n a l A I s y s t e m | e . g . a s y m b o l i c p l a n n e r | t a k e s a s i n p u t a m o d e l o f t h e

w o r l d i t h a s t o w o r k w i t h a n d t h e n a p p l i e s m a t h e m a t i c a l r e a s o n i n g t e c h n i q u e s t o

m a k e a p l a n . T h i s p l a n i s t h e n r e p r e s e n t e d a s a s e q u e n c e o f a c t i o n s w h i c h a r e

p e r f o r m e d b y t h e a c t u a t o r s .

I t i s c l e a r t h a t f o r t h e r i g h t s e q u e n c e o f a c t i o n s , t h e m o d e l o f t h e w o r l d h a s t o b e

e x t r e m e l y a c c u r a t e . A l s o t h e r e p r e s e n t a t i o n t h a t d e s c r i b e s t h e w o r l d h a s t o d e a l

w i t h c h a n g e s i n t h e e n v i r o n m e n t c a u s e d b y a c t i o n s o f t h e a g e n t . O n e o f t h e p r o b l e m s

f a c e d b y t h e c l a s s i c a l a p p r o a c h i s t h e f r a m e p r o b l e m a s d e s c r i b e d b y J a n l e r t 1 9 8 7 ] .

A n o t h e r i s t h e p r o b l e m o f S y m b o l G r o u n d i n g H a r n a d , 1 9 9 0 ] . I w i l l r e t u r n t o t h e s e

p r o b l e m s i n t h e s e c t i o n o n p h i l o s o p h i c a l i s s u e s .

A s a n a n s w e r t o t h e s e p r o b l e m s t h e n e w a p p r o a c h t o A I m a k e s n o ( o r a t l e a s t

v e r y l i t t l e ) u s e o f c e n t r a l r e p r e s e n t a t i o n s . I n s t e a d o f r s t c r e a t i n g a f u l l m o d e l o f

t h e w o r l d f r o m t h e i n p u t f r o m t h e s e n s o r s , c o n t r o l i s n o w d i s t r i b u t e d o v e r s e v e r a l

p a r a l l e l l o o s e l y c o u p l e d s i m p l e p r o c e s s e s . C o m p l e x b e h a v i o u r s h o u l d n o w e m e r g e

f r o m t h e s e p a r a l l e l p r o c e s s e s . T h e r e a r e n o g l o b a l a u t o m a t i c r e a s o n i n g s y s t e m s

i n v o l v e d i n t h i s a p p r o a c h . A l l o f t h e r e a s o n i n g h a s t o b e d o n e b e f o r e h a n d b y t h e

d e s i g n e r o f t h e s y s t e m

5

.

C o n n e c t i n g t h e s e n s e s t o a c t i o n s T h e o t h e r d i e r e n c e h a s t o d o w i t h t h e f a c t

t h a t t r a d i t i o n a l A I i s l a r g e l y c o m m i t t e d t o a b s t r a c t r e a s o n i n g a n d t o m o d e l l i n g c o g -

n i t i v e p r o c e s s e s w i t h o u t l o o k i n g a t t h e i n t e r a c t i o n o f t h e r e a s o n i n g s y s t e m w i t h t h e

o u t s i d e w o r l d . A c c o r d i n g t o t h i s a p p r o a c h o t h e r p e o p l e a r e t o d e s i g n t h i s i n t e r a c t i o n .

T h e s e p e o p l e h a v e t o p r o v i d e a s u i t a b l e i n p u t f r o m s e n s o r s t o t h e r e a s o n i n g s y s t e m

a n d t o t a k e s o m e p r e s c r i b e d f o r m a t f r o m t h e s y s t e m a s i n p u t t o t h e a c t u a t o r s .

T h e n e w a p p r o a c h t o A I o n t h e o t h e r h a n d a d d r e s s e s b o t h t h e d e s i g n o f s e n s o r s ,

5

N o t e t h a t t h e t h e d e s i g n o f s u i t a b l e s i m p l e p r o c e s s e s c o n n e c t i n g s e n s o r s t o a c t u a t o r s c a n b e h i g h l y

c o m p l e x !


27/145

2 . 1 . O R I G I N 2 7

a c t u a t o r s a n d i n t e r m e d i a t e s t r u c t u r e . N o w t h i s a p p r o a c h c a n e x p l o i t t h e p h y s i c s o f

b o t h s e n s o r s a n d a c t u a t o r s . T h i s l e a d s t o s i m p l e s o l u t i o n s t o p r o b l e m s i n i n t e r a c t i n g

w i t h t h e r e a l w o r l d t h a t w e r e p r e v i o u s l y v e r y h a r d t o s o l v e .

C o m p u t a t i o n a l n e u r o e t h o l o g y

C l i 1 9 9 1 , 1 9 9 5 ] g i v e s a n e x c e l l e n t s u r v e y o n t h e a i m s a n d p r o j e c t s p u r s u e d i n c o m -

p u t a t i o n a l n e u r o e t h o l o g y ( C N E ) . I n i t i a t e d b y n e u r a l n e t w o r k r e s e a r c h e r s a s a s p e c i c

f o r m o f n e u r o e t h o l o g y , t h e a i m s w e r e t o s t u d y n e u r a l m e c h a n i s m s t h a t u n d e r l i e a d a p t i v e

b e h a v i o u r b y b u i l d i n g a u t o n o m o u s a g e n t s . A d a p t i v e b e h a v i o u r i s d e n e d i n e t h o l o g y a s

b e h a v i o u r t h a t i n c r e a s e s t h e l i k e l i h o o d t o s u r v i v e l o n g e n o u g h t o p r o d u c e v i a b l e o s p r i n g

6

.

N o t e t h a t C N E i s n o t n e c e s s a r i l y r e s t r i c t e d t o m o d e l l i n g e x i s t i n g a n i m a l s . R e s e a r c h e r s

i n C N E a r e i n t e r e s t e d i n t h e n e u r a l b l u e p r i n t o f a n y k i n d o f a d a p t i v e b e h a v i o u r i n a n y

k i n d o f a g e n t , b e i t n a t u r a l o r a r t i c i a l .

I n C N E , r e s e a r c h e r s d e s i g n a r t i c i a l n e u r a l m e c h a n i s m s e m b e d d e d i n a u t o n o m o u s

a g e n t s t h a t a r e s i t u a t e d i n a n e n v i r o n m e n t . T h i s i s t h e m a i n c h a r a c t e r i s t i c b y w h i c h

t h e e l d d i e r e n t i a t e s i t s e l f f r o m c l a s s i c a l c o m p u t a t i o n a l n e u r o s c i e n c e : c o n n e c t i n g t h e

c o m p u t a t i o n a l n e u r a l m e c h a n i s m t o s e n s o r s a n d a c t u a t o r s i n o r d e r t o i n t e r a c t w i t h t h e

e n v i r o n m e n t . O n e o f t h e r e a s o n s t o d o t h i s , C l i n o t i c e s , i s t o a v o i d t h e d a n g e r o f

w o r k i n g w i t h s o m e a - p r i o r i c o n c e p t o f r e p r e s e n t a t i o n s u s e d b y t h e n e u r a l m e c h a n i s m

7

.

B y i n t e g r a t i n g t h e n e u r a l m e c h a n i s m s i n t h e a c t i o n - p e r c e p t i o n c y c l e , C l i s t a t e s , \ t h e

t r u e n a t u r e o f r e p r e s e n t a t i o n s a n d p r o c e s s i n g n e c e s s a r y . . . i s m o r e l i k e l y t o b e r e v e a l e d . "

T o n d o u t h o w t h i s i s d o n e i n p r a c t i c e i s l e f t t o t h e r e a d e r . C l i m e n t i o n s s o m e C N E

p r o j e c t s s u c h a s t h e c o m p u t a t i o n a l f r o g R a n a c o m p u t a t r i x b y A r b i b 1 9 8 7 ] , t h e c o m p u -

t a t i o n a l c o c k r o a c h P e r i p l a n e t a c o m p u t a t r i x b y B e e r 1 9 9 0 ] , t h e c o m p u t a t i o n a l h o v e r y

6

N o t e t h e d i e r e n c e i n m e a n i n g o f t h e w o r d ` a d a p t i v e ' i n a n a d a p t i v e n e u r a l n e t w o r k ( w h o s e c o n n e c t i v e

w e i g h t s a r e a b l e t o c h a n g e t h e i r v a l u e ) a n d i n a d a p t i v e b e h a v i o u r . O f c o u r s e a n a d a p t i v e n e u r a l n e t w o r k

i s a b l e t o p r o d u c e a d a p t i v e b e h a v i o u r

7

R e a l i z e t h a t C l i n d s r e p r e s e n t a t i o n s n e c e s s a r y , b u t t h a t t h e f o r m n e e d n ' t n e c e s s a r i l y b e o f s o m e

s y m b o l i c k i n d , a s o f t e n u s e d i n c l a s s i c a l A I a p p r o a c h e s .


28/145


S y r i t t a c o m p u t a t r i x b y C l i 1 9 9 2 ] a n d a n a p p l i e d C N E p r o j e c t i n v o l v i n g a r o b o t w i t h

c o m p o u n d y - l i k e e y e s b y F r a n c e s c h i n i e t a l . 1 9 9 2 ] T h e r s t t h r e e p r o j e c t s ( i n i t i a l l y ) u s e d

s i m u l a t i o n t e c h n i q u e s . B e e r t r a n s f e r e d h i s w o r k t o a n e m b o d i e d s y s t e m a n d n o t i c e d t h a t

t h e r e w e r e c o n s i d e r a b l e p r o b l e m s i n d o i n g s o . C l i t h e n s a y s t h a t t h e s e p r o j e c t s \ m a y

i n f o r m f u t u r e s t u d i e s o f t h e r e a l b i o l o g i c a l s y s t e m " i n q u e s t i o n .

E v o l u t i o n a r y r o b o t i c s

W i t h i n t h e a n i m a t a p p r o a c h , e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s i s c o n s i d e r e d t o b e a g o o d t o o l t o i n -

v e s t i g a t e a d a p t i v e b e h a v i o u r b o t h w i t h i n a r t i c i a l a n d n a t u r a l s y s t e m s N o l , 1 9 9 8 ] . N o l

s t r e s s e s t h e s e l f - o r g a n i z i n g c a p a c i t i e s o f e v o l u t i o n a r y p r o c e s s e s . E v o l u t i o n a r y r o b o t i c s i s

m u c h l e s s d e p e n d e n t o n h a n d d e s i g n t h a n a n y o t h e r a p p r o a c h w i t h i n t h e a n i m a t e l d a n d

t h e r e f o r e c a n e x p l o r e t h e i n t e r a c t i o n s o f t h e a g e n t i n q u e s t i o n w i t h i t s e n v i r o n m e n t m u c h

b e t t e r . T h i s r e s u l t s i n b e t t e r e s t a b l i s h e d s e n s o r i - m o t o r c o o r d i n a t i o n s t h a t c a n b e r e l i e d

b e t t e r u p o n i n p e r f o r m i n g a d a p t i v e b e h a v i o u r .

E v o l u t i o n a r y r o b o t i c s c o u l d b e c h a r a c t e r i z e d b y t h e a p p l i c a t i o n o f g e n e t i c a l g o r i t h m s

( G A ) H o l l a n d , 1 9 7 5 , G o l d b e r g , 1 9 8 9 ] a n d r e l a t e d e v o l u t i o n a r y t e c h n i q u e s t o t h e c o n -

s t r u c t i o n o f r o b o t s a n d t h e i r c o n t r o l m e c h a n i s m s . R o b o t i c s a n d g e n e t i c a l g o r i t h m s a l -

r e a d y e x i s t e d w h e n t h i s n e w e l d c o n n e c t e d t h e m i n t h e b e g i n n i n g o f t h e 1 9 9 0 ' s . G A s

c a n b e u s e d f o r p u r e e n g i n e e r i n g p u r p o s e s , b u t a l s o t h e o r e t i c a l r e s e a r c h c a n b e p u r s u e d

w i t h t h e m . T h i s o f t e n i n v o l v e s t h e c r e a t i o n o f a d a p t i v e b e h a v i o u r , i n t h e e t h o l o g i c a l s e n s e

d e s c i b e d a b o v e , e i t h e r f r o m s c r a t c h o r f r o m a p r e - d e s i g n e d s t a r t i n g p o i n t .

A c c o r d i n g t o t h e a n i m a t a p p r o a c h , e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s i s i n t e r e s t e d i n a l l f o r m s o f

a d a p t i v e b e h a v i o u r , n o t o n l y t h o s e s h o w n i n n a t u r e . T h e r e f o r e e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s c a n

a t l e a s t e x p l a i n g e n e r a l p r i n c i p l e s o f e v o l u t i o n a n d a d a p t a t i o n , l i k e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f

c o - e v o l u t i o n o f b e h a v i o u r a n d a n e v o l v a b l e t n e s s m e a s u r e L u n d a n d M a y o h , 1 9 9 5 ] . O t h e r

g e n e r a l t o p i c s i n e v o l u t i o n a r e t h e c o m b i n a t i o n o f o n t o g e n e t i c l e a r n i n g a n d p h y l o g e n e t i c

a d a p t a t i o n F l o r e a n o a n d M o n d a d a , 1 9 9 6 b ] a n d t h e r e p r e s e n t a t i o n p r o b l e m | h o w t h e

g e n o t y p e s h o u l d b e m a p p e d i n t o a p h e n o t y p e . M a n y p e o p l e i n e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s u s e


29/145

2 . 1 . O R I G I N 2 9

a s i m p l e o n e - t o - o n e m a p p i n g e n c o d i n g s i n g l e c h a r a c t e r i s t i c s o f a r o b o t i n a s i n g l e g e n e ,

t h o u g h o t h e r p e o p l e u s e a d e v e l o p m e n t a l s c h e m e f o r b u i l d i n g t h e c o n t r o l a r c h i t e c t u r e o f

a n a n i m a t w h i c h c a n b e e v o l v e d i n i t s e l f . K o d j a b a c h i a n a n d M e y e r 1 9 9 5 ] g i v e a s u r v e y

o f s i x a p p r o a c h e s o f t h e l a t t e r c a s e .

I n r e l a t i o n t o r e a l b i o l o g i c a l s y s t e m s , N o l p o i n t s o u t , o n e s h o u l d b e c a r e f u l w i t h

i n t e r p r e t i n g r e s u l t s f r o m e v o l u t i o n a r y r o b o t i c s . A n i m a t m o d e l s o n l y a p p r o x i m a t e c e r t a i n

a s p e c t s o f r e a l b i o l o g i c a l s y s t e m s . A l s o t h e e v o l u t i o n a r y p r o c e s s , w h i c h i s s e l f - o r g a n i z i n g ,

c a n r e s u l t i n p r o d u c t s t h a t a r e m u c h d i e r e n t f r o m t h e e x i s t i n g n a t u r a l s y s t e m s i n n a t u r e ,

e v e n i f t h e i n i t i a l c o n d i t i o n s a r e c l o s e l y a p p r o x i m a t e d . T h e o n l y e v i d e n c e e v o l u t i o n a r y

r o b o t i c s c a n g i v e , a c c o r d i n g t o N o l , a r e c o u n t e r - e x a m p l e s t o m e c h a n i s m s t h a t w e r e u n t i l

t h e n c o n s i d e r e d t o b e u n i q u e f o r t h e b e h a v i o u r s h o w n . I w i l l c o m e b a c k t o t h e s e i s s u e s i n

t h e s e c t i o n o n m e t h o d o l o g y .

T h e l i n k w i t h b i o l o g y

T h e b e h a v i o u r - b a s e d a p p r o a c h s e e m e d t o b e s u c c e s s f u l a n d m a n y s y s t e m s h a v e b e e n

d e s i g n e d t h a t c o u l d r e l i a b l y i n t e r a c t w i t h a d y n a m i c a n d c o m p l e x w o r l d . O n e o f t h e m a i n

c a u s e s o f t h e s u c c e s s o f t h i s a p p r o a c h i s , I t h i n k , i t s c l o s e l i n k s t o b i o l o g i c a l s y s t e m s .

C o m p l e t e s y s t e m s a r e b u i l t a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f b i o l o g i c a l s y s t e m s i n t h e

f o l l o w i n g w a y s :

S p e c i a l i z e d A s I s a i d b e f o r e , t h e d e s i g n e r o f c o m p l e t e s y s t e m s c a n h a v e a h a r d

j o b i n g e t t i n g t h e c l o s e c o n n e c t i o n s b e t w e e n s e n s o r s a n d a c t u a t o r s r i g h t i n o r d e r t o

g a i n t h e e x p e c t e d b e h a v i o u r . T h i s i s b e c a u s e e v e r y s y s t e m h a s t o b e s p e c i c a l l y

d e s i g n e d f o r e v e r y t a s k i t i s s u p p o s e d t o p e r f o r m . B r o o k ' s s u b s u m p t i o n a r c h i t e c t u r e

B r o o k s , 1 9 8 6 ] g i v e s a p a r t i a l s o l u t i o n t o t h i s p r o b l e m a s l a y e r s f o r n e w t a s k s c a n

r e l y u p o n t h e w o r k i n g o f l a y e r s t h a t a r e l o w e r i n t h e h i e r a r c h y , b u t s p e c i a l i z a t i o n o f

c o n t r o l a l g o r i t h m s r e m a i n s a k e y i s s u e i n t h e c o m p l e t e s y s t e m s a p r o a c h .

T h e o t h e r k i n d o f s p e c i a l i z a t i o n I a d d r e s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , s p e c i a l i z a t i o n o f

b r a i n s t r u c t u r e s w i t h i n t h e b r a i n , a r e a l s o f o u n d i n b e h a v i o u r - b a s e d A I M a e s , 1 9 9 2 ,


30/145


B r o o k s , 1 9 9 1 , W i l s o n , 1 9 9 1 ] . B e h a v i o u r s i m p l e m e n t e d i n a n a g e n t t o f u l l l a c e r t a i n

t a s k w o r k i n p a r a l l e l , i n d e p e n d e n t l y f r o m e a c h o t h e r . T h e s e b e h a v i o u r s a r e s o t o

s a y s p e c i a l i z e d t o t h e i r o w n s u b t a s k i n t h e a g e n t . T o g e t h e r w i t h o t h e r b e h a v i o u r s

t h e y r e s u l t i n a m o r e c o m p l e x , e m e r g e n t , t y p e o f b e h a v i o u r S t e e l s , 1 9 9 1 ] .

N o n - s y m b o l i c T h e c o m p l e t e s y s t e m s a p p r o a c h v e r y o f t e n w o r k s w i t h o u t a c e n t r a l

s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e w o r l d . F o r e x a m p l e M u r a a n d F r a n c e s c h i n i 1 9 9 4 ]

s i m u l a t e d v i s u a l c o n t r o l o f i g h t a l t i t u d e a n d s p e e d i n a n ` a r t i c i a l y i n g i n s e c t ' .

I n t h i s s i m u l a t i o n p e r c e p t i o n i s t i g h t l y c o u p l e d t o a c t i o n , w i t h o u t m e m o r y o f t h e

s e n s o r s ' p a s t i n p u t o r s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e i n p u t t o t h e m o t o r u n i t s .

N o t e t h a t t h e a b s e n s e o f a c e n t r a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e w o r l d i s n o t t h e s a m e

a s a b o l i s h i n g s y m b o l i c r e p r e s e n t a t i o n s e n t i r e l y . F o r e x a m p l e , M o l l e r e t a l . 1 9 9 8 ]

p r o p o s e a m o d e l o f a n t n a v i g a t i o n b a s e d o n p o l a r i z e d l i g h t . A l t h o u g h t h e s y s t e m

d o e s n o t m a k e a s y m b o l i c m o d e l o f t h e w o r l d , i t m e m o r i z e s i t s p o s i t i o n w i t h r e s p e c t

t o t h e s t a r t i n g p o s i t i o n i n a s y m b o l i c f o r m .

R e a c t i v e T h e b r a i t e n b e r g v e h i c l e s B r a i t e n b e r g , 1 9 8 4 ] a r e a c l a s s i c e x a m p l e o f

r e a c t i v e m a c h i n e s p e r f o r m i n g q u i t e i m p r e s s i v e t a s k s , e . g . l i g h t f o l l o w i n g . A g a i n ,

t h e r e i s n o c e n t r a l r e p r e s e n t a t i o n a n d / o r r e a s o n i n g i n t h e s e v e h i c l e s .

P h y s i c a l l y w e l l s h a p e d E x p l o i t i n g t h e p h y s i c s i n t h e c o m p l e t e s y s t e m s a p p r o a c h

i s v e r y w e l l d e m o n s t r a t e d b y M a r i s a n d t e B o e k h o r s t 1 9 9 6 ] w h o s e ` c l e a n i n g r o b o t s '

p e r f o r m w e l l a s l o n g a s t h e i n f r a - r e d s e n s o r s t h e y u s e t o d e t e c t o b s t a c l e s a r e i n t h e

r i g h t p o s i t i o n o n t h e r i g h t p l a c e o n t h e r o b o t . T h i s a r t i c l e s h o w s t h e i n u e n c e o f

r o b o t m o r p h o l o g y o n t h e b e h a v i o u r o f t h e s y s t e m . I n t h e s e c t i o n o n t h e r o b o t i c

m o d e l o f t h e c r i c k e t ( c h a p t e r 4 ) i t w i l l b e c o m e c l e a r t h a t a l s o t h e b e h a v i o u r o f t h i s

m o d e l i s d e p e n d e n t o n i t s m o r p h o l o g y .

L i t t l e d e p e n d e n t o n l e a r n i n g A l t h o u g h l e a r n i n g a l g o r i t h m s p l a y a r o l e i n t h e

c o m p l e t e s y s t e m s a p p r o a c h , m o s t s y s t e m s i n c o r p o r a t e a m o d e l t h a t i s n o t l e a r n i n g

i n t h e s e n s e o f

laurens jan kortmann- evolving phonotaxis in a robot cricket: an investigation in bio-robotics

Documents