Edoardo Datteri edoardo.datteri@unimib.it

1. F. Grasso et al.Biomimetic robot lobster performs chemo-orientation in turbulence using a pair of spatially separated sensors: Progress and challenges Edoardo Datteri edoardo.datteri@unimib.it

2. Schema metodologico sistema artificiale A sistema vivente V formulazione formulazione capacità CA esibita da A nelle condizioni EA capacità CVesibita da V nelle condizioni EV istanziazione istanziazione confronto spiegazione spiegazione descrizione di meccanismo MA descrizione di meccanismo MV controllo/scoperta traduzione

3. Le antenne dell’aragosta

4. Obiettivi dell’articolo • Descrivere le caratteristiche e i risultati di uno studio biorobotico sulla capacità degli astici di raggiungere sorgenti chimiche nell’acqua • Elementi di particolare interesse • È un esempiorecente di studio biorobotico • L’ipotesi neuro-etologica è stata rifiutatasulla base del comportamento del robot • Controllo estremamente accurato delle circostanze sperimentali • Emergono alcuni problemi di metodo scientifico legati alla biorobotica (e non solo) • Spiegazione e astrazione • Accuratezza simulativa

5. Il quesito neuro-etologico • Le fonti di nutrimento degli astici (es. molluschi) rilasciano scie chimiche nell’acqua • Gli astici sono in grado di risalirle fino alla sorgente • In base a quale meccanismo? • our efforts represent the first study of chemo-orientation in turbulence at the same spatial scale and indeed in the same exact task and conditions as the model animal.

6. L’explanandum • Chemiotassi dell’astice: capacità CVdi raggiungere la sorgente chimica (= nutrimento)

7. La strategia biorobotica • the biomimetic approach, constrained to the same physical conditions as the model animal, offers the best avenue for trying to understand efficient chemo-orientation strategies where turbulence contributes to chemical dispersal. • An approach that uses appropriate fluid-dynamic scaling combined with a biomimetic robot allows direct, quantitative comparison of the performance of an algorithm and the model animal.

8. Ambiente simulato e ambiente reale (ma ricostruito in laboratorio) • Difficile simulare accuratamente le dinamiche di una scia chimica nell’acqua • Our strategy to circumvent this shortage of data for constraining simulation environments is to test the simulations in the actual environment.

9. L’ambiente di RoboLobster • Vasca d’acqua sul fondo della quale una sorgente inietta una soluzione salina • Lo «standard plume»: estrema attenzione alla riproducibilitàdella scia chimica e alle sue caratteristiche (temperatura, densità, …) • This plume models the hydrodynamic output from a filter-feeding bi-valve (clam, mussel oyster etc.) a natural food item of lobsters. • We know that lobsters can perform the task of tracking this plume to its source from number of studies of lobster chemo-orientation behavior have been undertaken under exactly these conditions. • The results of these behavioral studies form a referent for direct comparison of lobster and robot performance.

10. Lo «standard plume»

11. L’ipotesi • We have applied Occam’s razor in our robotics studies by evaluating the effectiveness of simple (biologically constrained) chemo-orientation strategies first and adding complexity to the algorithms only when required by the failure of the hypotheses they embody to explain some aspect of the lobster’s behavior • In these studies we worked with the two simplest algorithms we could imagine which used two sensors positioned as those of the lobster. • Our first goal was to determine how effective pure chemotaxis (i.e., guidance from chemical cues alone) could be in tracking turbulent odor plumes to their source.

12. Le due ipotesi algoritmiche • Algoritmo 1 • Vai avanti se il gradiente è inferiore a una soglia minima; • Sterza verso il lato che rileva una maggiore concentrazione chimica • Algoritmo 2 • Le prime due regole dell’algoritmo 1, e • Vai indietro se entrambi i sensori rilevano assenza di sostanza chimica.

13. connettività diretta ATTENZIONE: connessioni inibitorie tra sensori e motori connettività inversa (fuga dalla scia chimica)

14. L’implementazione robotica I due algoritmi vengono implementati su RoboLobster • Lungo circa 24 cm • I motori sono controllati indipendentemente (sterzata differenziale ottenuta variando la velocità di uno dei due motori) • Dotato di due sensori in grado di rilevare una differenza di concentrazione chimica (=gradiente di concentrazione), la cui distanza può essere modificata • I motori agiscono in «open loop»: nessun controllo sul fatto che il comando motorio abbia condotto il sistema allo stato desiderato

15. Somiglianze morfologiche e comportamentali tra RoboLobster e astice • Dimensione (circa 24 cm) • Velocità (circa 9 cm/s) • Posizione e altezza delle antenne • Separazione tra le antenne (circa 3 cm) • Frequenza di rilevazione sensoriale • Il sistema reagisce a una media di 10 valori, rendendo dunque il campionamento sensoriale di 2,5 Hz • The robot’s sensors sample the ambient salt concentration at a 2.5Hz rate that agrees well with neurophysiological studies of lobster chemo-reception time constants which suggest a 2–4Hz resolution of pulses in lateral antennule chemo-receptor cells

16. Idea sperimentale • Our overall strategy was to observe the behavior of the robot as we systematically varied the conditions of the trial such as starting location, orientation relative to the mean flow, and inter-sensor separation of the robot. • A critical experiment involved reversing the steering rule (rule 1) so that the robot steered to the side of the lower concentration. Contrasting the results obtained with the normal and reversed rules gave us the ability to demonstrate (or fail to demonstrate) the existence of information in the chemical signal that could pro- vide guidance toward the source.

17. Condizioni al contorno • Controllo estremamente accurato delle condizioni sperimentali • Protocollo sperimentale rigido e controllato • Calibrazione dei sensori • Calibrazione dei motori

18. Condizioni al contornoil protocollo sperimentale • Sessioni sperimentali: 15 prove di 30 secondi ciascuna (il robot si ferma automaticamente al termine dei 30 secondi) • Il robot viene fatto partire da 50cm (60cm?) e da 100cm dalla sorgente • Both the state of the plume and the robot could drift with time. Changes in water temperature from day to day could produce subtle shifts in plume shape. To minimize the contribution of these effects to the results obtained we randomized the order of trial conditions tested in each experiment. • We were careful to avoid transients in plume structure which might result from the development of the plume or the introduction of the robot into the flow. A trial was only begun after the plume was well established around the settled robot and there were no asymmetries of structure visible in the dyed plume.

19. Condizioni al contornocalibrazione sensoriale • Sussiste una relazione lineare tra la risposta dei sensori di RoboLobster e la concentrazione chimica • I sensori vengono calibrati prima di ogni sessione sperimentale: eventuali variazioni (dovute alla temperatura dell’acqua, all’ossidazione del metallo, a eventuali deformazioni…) vengono compensate dal software di controllo • La calibrazione viene ripetuta ogniqualvolta si verificano comportamenti «strani» del robot; se si rilevano problemi con i sensori, le prove sperimentali corrispondenti vengono eseguite di nuovo

20. Condizioni al contornocalibrazione motoria • Motori open-loop: nessuna garanzia che eseguano correttamente i comandi motori • Calibrazione motoria: • trovare coppie di comandi per i due motori che muovano il robot in linea retta • e coppie di comandi che ruotino il robot del medesimo angolo verso destra o verso sinistra (azzerando la velocità del motore sinistro e destro rispettivamente)

21. Misura delle prestazioni del robot • Our performance measures have been applied to quantify both lobster and robot behavior. This enables us to achieve two goals, the direct comparison of robot and lobster behavior and the overall evaluation of plume tracking efficacy by the robot. • I percorsi del robot vengono registrati da una telecamera posizionata in alto • Parametri: • Distanza minima dalla destinazione • Tempo impiegato per raggiungerla • Distanza percorsa • Velocità • Tortuosità

22. Risultati: Algoritmo 1 • RoboLobster non riesce mai a raggiungere la destinazione utilizzando il primo algoritmo • In media, si avvicina molto di più alla destinazione quando parte a 60cm da essa, a parità di condizioni • Taken together these results suggests that some difference in the structure of the plume is responsible for a the closer approaches to the source made by the robot in the forward polarity when it started 60cm from the source compared to the other conditions.

23. Risultati: Algoritmo 2 • Connettività inversa: il robot non riesce mai a raggiungere la sorgente chimica • Connettività diretta: notevoli differenze di prestazione tra i casi in cui il robot parte da una distanza di 60cm e i casi in cui parte da una distanza di 100cm dalla sorgente 60 cm 100 cm

24. Risultati: Algoritmo 2 • 60cm(area detta proximal jet – PJ) • RoboLobster riesce molto spesso a raggiungere la destinazione • Il percorso è relativamente lineare • 100cm(area detta distal patch field – DPF) • RoboLobster non riesce quasi mai a raggiungere la destinazione • Il percorso è tortuoso

25. Gli esperimenti destinazione partenza Distanza tra il punto di partenza e la sorgente chimica: 60 cm OK 100 cm no 60 cm 100 cm

26. Spiegazioni alternative • Perchè RoboLobster non è riuscito a raggiungere la sorgente chimica da una distanza di 100 cm? • Perché in quei casi era stato posizionato con un’orientazione iniziale che non “puntava” verso la destinazione? • Esperimenti aggiuntivi in cui il robot viene fatto partire con varie orientazioni iniziali: nessun miglioramento

27. Valutazione di spiegazioni alternative • Perchè RoboLobster non è riuscito a raggiungere la sorgente chimica da una distanza di 100 cm? • Per motivi legati alla distanza tra le antenne, che determina l’“acume percettivo” della rilevazione chimica? • Esperimenti aggiuntivi in cui viene variata la distanza tra le antenne: nessun miglioramento

28. Conclusioni • We conclude that a gradient exists in the PJ that allows effective chemotaxis on the spatio–temporal sampling scale of the lobster. That gradient is the high concentration difference at the spatially well defined plume edge in that region. • In the DPF no such high contrast boundary exists so we conclude an absence of directional information accessible by these algorithms regardless of sensor separation.

29. Conclusioni • In one sense the plume, rather than the algorithms or the American lobster, is the entity under the closest scrutiny in these experiments. • Our desire to understand how the lobster accomplishes chemo-orientation in turbulence led us to interrogate the plume with RoboLobster, asking the question: what information is available for guidance to the source. • The approach of pure chemo-taxis (using just chemical concentration information for steering information) lead us to conclude that there is no directional information in the DPF at the spatial and temporal scale that the robot (mimicking the lobster) sampled.

30. Questioni epistemologiche e metodologiche • Spiegazione e astrazione • Relazione tra ipotesi neuro-etologica e biorobot

31. Astrazione e spiegazione nelle scienze cognitive • In this work we have narrowed the field of possible explanationsfor lobster chemotaxis, excluding the most obvious and parsimonious candidate hypothesis. • Cosa significa «spiegare» nelle scienze cognitive? Quali sono le caratteristiche di una “buona spiegazione” in quest’area di ricerca scientifica? • Questione epistemologica rilevante: rapporto tra astrazione e spiegazione • astrazione1: omissione di possibili circostanze perturbatrici • astrazione2: analisi meccanicistica «a grana larga»

32. Spiegazione e astrazione1 • L’ipotesi formulata non fa menzione di moltissimi fattori che potrebbero modulare il comportamento dell’astice (circostanze al contorno) • Ambientali • Altri stimoli chimici? • Stimoli di altro tipo (es. visivi, tattili)? • Turbolenza dell’acqua? • Fisiologiche • Si assume che l’animale sia in condizioni fisiologiche «normali» • Si assume che sul meccanismo chemiotattico non intervengano stimoli provenienti da altri meccanismi di coordinazione senso-motoria interni all’animale

33. Spiegazione e astrazione1 • Un explanans così idealizzatopuò fornire una buona spiegazione di un fenomeno studiato in un ambiente «concreto» e ricco di possibili fattori perturbativi? • Nota: anche l’explanandum è idealizzato! • Explanandum: “Perché gli astici riescono così efficientemente a raggiungere la sorgente della scia chimica?” • Troppo “semplicistico”: nemmeno gli astici veri riescono sempre a raggiungere le sorgenti chimiche!

34. Spiegazione e astrazione2 • Livello di analisi meccanicistica «a grana larga» • nessun riferimento ai componenti intermedi che assicurano il collegamento tra stimolazioni sensoriali e risposte motorie. Es: • Meccanismi di controllo delle zampe dell’animale? • Meccanismi chimici che assicurano il buon funzionamento dei circuiti neurali? • Diremmo che questa ipotesi costituisce una buona spiegazione del comportamento dell’astice, nonostante la grana molto larga dell’analisi meccanicistica?

35. Questione metodologica: l’accuratezza implementativa • Perché il comportamento di RoboLobster dovrebbe informarci sulla plausibilità dell’ipotesi neuro-etologica? • Quali requisiti epistemici deve possedere A perché il suo comportamento possa costituire una base empirica per corroborare o rifiutare MB? • Deve sussistere una particolare relazione tra ipotesi (MB) e robot (A). Come caratterizzare questa relazione?

36. Questione metodologica: l’accuratezza implementativa • Dopo gli esperimenti, gli autori si chiedono quali fattori abbiano determinato il comportamento di RoboLobster in alcuni casi rilevanti al rifiuto dell’ipotesi • Il fallimento è dovuto al fatto che l’ipotesi neuro-etologica è «sbagliata», oppure • a caratteristiche del robot (es: distanza tra le antenne) o del protocollo sperimentale (es: orientazione) che non hanno nulla a che fare con l’ipotesi? • Se così fosse non è chiaro perché dovremmo rifiutare l’ipotesi neuro-etologica!

37. Questione metodologica: l’accuratezza implementativa • Dopo gli esperimenti, gli autori si chiedono quali fattori abbiano determinato il comportamento di RoboLobster in alcuni casi rilevanti al rifiuto dell’ipotesi • Gli autori si propongono di spiegare il comportamento di RoboLobster… • … ovvero di identificare il meccanismo che ne ha determinato il comportamento nelle sessioni sperimentali rilevanti

38. Questione metodologica: l’accuratezza implementativa • Identificazione del meccanismo MAche ha determinato i comportamenti di RoboLobster • Il meccanismo MA è simile, in un senso da definirsi, all’ipotesi neuro-etologica MB? • Sì i fallimenti di RoboLobster sono da imputarsi all’ipotesi stessa, che dunque deve essere rifiutata • No i fallimenti di RoboLobster sono stati prodotti da un meccanismo diverso dall’ipotesi neuro-etologica, che non viene dunque intaccata dai risultati sperimentali

39. Questione metodologica: l’accuratezza implementativa • Problemi aperti • Cosa significa «spiegare» i comportamenti di un robot? Quali caratteristiche dovrebbe avere una buona spiegazione dei comportamenti di un robot? • Quali criteri per valutare la somiglianza tra meccanismi neuro-etologici (MB) e robotici (MA)?