Evolution de contrôleurs neuronaux plastiques : de la locomotion adaptée vers la locomotion adaptative

Evolution of plastic neural controllers : from adapted locomotion towards adaptative locomotion

• Auteur / Autrice : Thierry Hoinville
• Direction : Stéphane Delaplace
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurostimulation

Systèmes adaptatifs (technologie)

Programmation évolutionnaire

Microcontrôleurs

Robots mobiles

Plasticité neuronale

Résumé

Evolutionary robotics mainly focused on evolving neural controllers that are structurally and parametrically fixed, for the control of robots that can roll, walk, swim or fly. This approach led to the design of controllers that are well adapted to constant environments, but not adaptive to varying conditions. To tackle this issue, some researchers suggest to evolve plastic, rather than fixed, neural controllers. Our work follows this way and aims to design plastic neural controllers for legged robots subject to external perturbations, as well as possible mechanical damages. First, we propose a review of the main known forms of neuronal plasticity and their modeling. This review is mostly intended to the roboticists audience. Then, we draw a state of the art of evolving plastic neural controllers and criticize the biological realism of the developed models. On this background, we provide a first contribution centered on thedilemma of evolving both flexible and stable neural controllers. Thus,we suggest to use homeostatic constraints to stabilize CTRNNs incorporating adaptive synapses. We applied this method with success to the locomotion of a one-legged robot, confronted to an external perturbation. Finally, we present a second work based on the knowledge acquired on the biological central pattern generators (CPG) and their plasticity. In practice, we evolve neural relaxation oscillators subject to neuromodulation, for the adaptive locomotion of a modular myriapod robot, that could experience leg amputations.

Les recherches menées en robotique évolutionniste se sont avant tout focalisées sur l'évolution de contrôleurs neuronaux structurellement et paramétriquement figés, pour la locomotion de robots qui roulent, marchent, nagent ou volent. Cette démarche a permis la conception de contrôleurs bien adaptés à des environnements constants, mais non adaptatifs aux variations de ceux-ci. Pour y remédier, certains roboticiens ont suggéré de faire évoluer des neuro-contrôleurs non plus figés, mais plastiques. Notre approche s'inscrit dans ce revirement et vise à ce que les robots à pattes puissent adapter leur locomotion aussi bien aux perturbations extérieures, qu'aux éventuelles détériorations de leurs structures mécaniques. Nous proposons en premier lieu une revue des phénomènes de plasticiténeuronale et de leur modélisation, destinée essentiellement aux roboticiens. Nous dressons ensuite un état de l'art de l'évolution de neuro-contrôleurs plastiques et critiquons la plausibilité biologique des modèles développés. Notre première contribution s'inspire des travaux de la robotique évolutionniste et aborde le dilemme de l'évolution de contrôleurs à la fois flexibles et stables. Ainsi, nous employons des contraintes homéostatiques pour stabiliser la plasticité de contrôleurs assurant la locomotion d'un robot monopode confronté à une perturbation freinant son avancée. Notre deuxième contribution s'inspire des connaissances acquises sur les générateurs centraux de pattern (CPG) et leur plasticité. Ainsi,nous proposons l'évolution d'oscillateurs à relaxation soumis à neuromodulation pour la locomotion adaptative d'un robot myriapode confronté à d'éventuelles amputations de pattes.