1.2: Мотивація для цього багатопрофільного дослідження

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33649

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

1.2 Мотивація для цього багатопрофільного дослідження

Отже, чому спеціальний курс електротехніки зосереджений на біологічно натхненних конструкціях сенсорних систем та методах обробки сигналів? Кілька причин включають:

- Природні системи вирішують інженерні завдання

- Біологічна інформація стає все більш доступною

- Технологія стає все більш доступною і доступною

- Дослідницькі агентства продовжують підтримувати біо-натхнення

- Краще розуміння біології може бути результатом спроби імітувати біологію

1.2.1 Природні системи вирішують інженерні завдання.

З найдавніших часів ми шукали біологічні системи для інженерних рішень наших технічних проблем. Наприклад, в грецькій міфології легендарний Дедал, будівельник критського лабіринту, був мотивований птахами будувати крила, щоб допомогти йому і його синові, Ікару, уникнути ув'язнення. Пізніші спостереження за птахами, такими як крилоподібна форма, привели до сучасних конструктивних особливостей літальних апаратів.

Липучка була натхненна тим, як задирки прикріплюються до одягу. Автономні роботи можуть отримати вигоду від вивчення природних механізмів управління, знайдених у подібних істот у тваринному світі. Системи машинного зору для робототехніки вимагають відокремлення об'єктів від фону, завдання, закладене в конструкцію систем природного зору. Можливість розпізнавання зображень людей важко дублювати за допомогою комп'ютерних технологій, хоча нейрони на п'ять або шість порядків повільніші, ніж кремнієві транзистори, і гетерогенні (або значно «невідповідні» порівняно з транзисторами).

1.2.2 Біологічна інформація стає все більш доступною

Складність зворотно-інженерних природних систем частково обумовлена нашим відсутністю повного розуміння цих складних систем. В органічній хімії та мікробіології ми розкрили багато деталей фундаментальних фізичних процесів на нейрональному рівні. Ми також маємо значне розуміння загальної поведінки систем з таких галузей, як психологія або психофізика. Однак важко зрозуміти, як мікроскопічні процеси перетворюють сенсорну інформацію в макроскопічні рішення та поведінку. Це призводить до інтересу до природних оптимізацій дизайну та схем взаємозв'язку.

Загальноприйнято вважати, що багато людей зроблять майже все за гроші, але також вільно відмовляться від цього заради свого здоров'я. Це фіксує наше обмежене існування у часі та просторі, бажаючи постійності, що призводить до нашої готовності робити все можливе, щоб зберегти або покращити своє здоров'я. В результаті є і завжди будуть величезні ресурси (кошти і т.д.), доступні для вивчення більш глибокого розуміння біологічних явищ. Незважаючи на те, що орієнтуються в медичних цілях, системні концепції, застосовні для інших цілей, зрештою розгорнуться. Коли ми рухаємося далі в інформаційну епоху з кращими та кращими технологіями, багато деталей вже доступні для використання природних сенсорних концепцій дизайну.

Хоча вже є велика кількість інформації про природні сенсорні системи і обробці сигналів, інженерам важко розшифрувати корисну інформацію з біомедичної літератури. Частково це пов'язано з різними мотиваціями: медичне співтовариство зацікавлене в діагностиці (органічних) системних проблем та формулюванні процедур та ліків, щоб виправити ці проблеми або дозволити пацієнту адекватно вирішувати проблеми. Інженер, з іншого боку, більше цікавиться тим, як конкретні завдання виконуються з наявних сенсорних сигналів.

1.2.3 Багата технологія є доступною та зручною для користувача

Завдяки швидкому прогресу в швидкості обробки і пропускної здатності багато успішних додатків в даний час були розроблені з використанням штучного інтелекту, глибокого навчання нейромережевих архітектур та інших пов'язаних технологій. Невеликий зразок інструментів, доступних для студентів та дослідників, включає:

- Реконфігуровані обчислювальні інструменти, такі як Quartus (Altera) та Vitis (Xilinx)

- Інструменти моделювання ланцюга, такі як PSPICE (Microsim)

- Збір даних, таких як LabVIEW (Національні інструменти)

- Обчислювальні інструменти, такі як Matlab (Mathworks)

- Розробка платформ, таких як Raspberry, Arduino і т.д.

- Мови, такі як Python

1.2.4 Дослідницькі агентства продовжують підтримувати біо-натхнення

Автор спирається на колишній досвід роботи в Управлінні боєприпасів Науково-дослідної лабораторії ВПС (AFRL/MN). Щоб вирішити високу пропускну здатність обробки сигналів та коротку затримку тепловізора, який керує екзоатмосферною ракетою з гіпершвидкістю, були досліджені нові концепції, які передбачали біологічно натхненні підходи. Фінансовані концепції включали інфрачервоний датчик з сітківкою натхненний зчитуванням, багатороздільною здатністю натхненний foveated бачення, та інші дослідницькі проекти, що використовують різні біо-натхненні сенсорні ідеї дизайну.

Деякі історичні зусилля (кінець 1980-х і 1990-х рр.)

Значна частина роботи в AFRL/MN була використана з колишніх досліджень, спонсоруваних Агентством перспективних дослідницьких проектів оборони (DARPA) та Управління морських досліджень (ONR). Дослідження, що фінансуються ONR та DARPA, а також Національним науковим фондом (NSF), Національним інститутом охорони здоров'я (NIH) та іншими, призвели до книг, окремі глави яких написані різними дослідниками, що може призвести до значної відсутності безперервності та послідовності. Проте матеріал в таких книгах виявився дуже корисним; кілька прикладів включають

- Мід, Карвер, Аналогові VLSI та нейронні системи, Addison-Wesley, 1989.

- Зорнецер, Стівен, Девіс, Джоел та Лау, Кліффорд, редактори, Вступ до нейронних та електронних мереж, Академічна преса, 1990.

- Айерс, Дж., Девіс, Дж. і Рудольф, А., редактори Нейротехнології для біоміметичних роботів, MIT Press, 2002.

- Бар-Коен, Джозеф та Брізіл, Синтія, редактори, Біологічно натхненні Інтелектуальні Роботи, Тейлор і Френсіс, 2003.

- Бар-Коен, Джозеф, редактор, Біоміметика: біологічно натхненні технології, Тейлор і Френсіс, 2006.

Наступна книга та ^2-е видання були корисними для висвітлення структури та функції біологічних сенсорних систем:

- Сміт, C.U.M, Біологія сенсорних систем, Джон Вілі та сини, ISBN: 0-471-85461-1, 2000.

Як приклад постійної сильної та прямої підтримки біоміметики, розглянемо цей уривок з оголошення для семінару з біоміметики для комп'ютерної мережі безпеки (1999):

«Управління морських досліджень спонсорує семінар, метою якого буде виявлення технологій, натхненних біологічним фундаментом і які, коли дозрівають, можуть сприяти значному збільшенню можливостей мережевої безпеки... Це дослідження спрямоване на розробку нового класу біологічно натхненні роботи, які демонструють набагато більшу надійність у роботі в неструктурованих середовищах, ніж сьогоднішні роботи... Дослідження передбачає тісну співпрацю між дослідниками робототехніки та фізіології в університетах Стенфорда, Берклі, Гарварду та Джона Хопкінса... спонсорується Управлінням військово-морських досліджень за грантом N00014-98-1-0669...»

Більш свіжі події

У серпні 2020 року Управління військово-морських досліджень (ONR, www.onr.navy.mil, Code 341) продовжувало вимагати контрактних та грантових пропозицій у сфері «Автономних систем, натхненних біологічно» з наступним описом:

Метою біонатхненних автономних систем є вилучення принципів сенсорно-моторного управління, біомеханіки та динаміки рідини підводного руху та управління у водних та амфібійних тварин, які лежать в основі спритності, скритності, ефективності та сенсорних адаптацій цих тварин. Принципи, що випливають з цього міждисциплінарного дослідження, формалізуються та досліджуються в передових прототипах. Метою цієї програми є розширення оперативної оболонки підводних і десантних апаратів ВМФ і забезпечення посилення підводних маніпуляцій.

а також в «Біо-натхненному управлінні підписами» з наступним описом:

Програма управління підписами, натхненних біологічно, спрямована на виявлення біологічно натхненних адаптацій та біоінженерних рішень для розширення поточних можливостей бойових винищувачів у пом'якшенні виявлення та підводних навігаційних викликах. Це буде досягнуто за допомогою міждисциплінарних досліджень у галузі науки та техніки, таких як біологічно натхненні/біоміметичні матеріали, візуальне та сенсорне сприйняття та біооптика/біоелектроніка.

Також у серпні 2020 року Агентство перспективних дослідницьких проектів оборони (DARPA, www.darpa.mil) дає наступний опис своєї програми «Природа як комп'ютер (NAC)»:

Деякі природні процеси виконують par excellence обчислення з рівнями ефективності, неперевершеними класичними цифровими моделями. Парадокс Левінталя добре ілюструє це: в природі білки згортаються спонтанно в короткі терміни (мілісекунди), тоді як не існує ефективного рішення для вирішення проблем згортання білка за допомогою цифрових обчислень. Програма «Природа як комп'ютер» (NAC) пропонує, що в природі існує синергія між динамікою та фізичними обмеженнями для виконання ефективних обчислень з мінімальними ресурсами. NAC має на меті розробити інноваційні дослідницькі концепції, які використовують взаємодію між динамічною поведінкою та внутрішніми властивостями матеріалу для розробки нових потужних форм обчислень. Здатність використовувати фізичні процеси для цілеспрямованих обчислень вже була продемонстрована на лабораторних масштабах. NAC прагне застосувати ці поняття до обчислювальних завдань, які з фундаментальних причин погано підходять або функціонально невивчені з класичними моделями. NAC закладе основу для просування нових теорій, концепцій дизайну та інструментів для нових обчислювальних субстратів, а також розробить метрики для порівняння продуктивності та корисності. У разі успіху NAC продемонструє доцільність вирішення складних обчислювальних задач із покращеннями на порядок над сучасними.

1.2.5 Імітація біології може призвести до кращого розуміння біології

Хоча інженерні програми можуть бути наслідком біологічного натхнення, іноді ці програми є біомедичними. Наприклад, штучні нейронні мережі використовуються для виявлення потенційних ракових ділянок на рентгенівських знімках. Тим часом біоміметичні роботи використовуються не тільки як випробувальні стенди для потенційних інженерних застосувань, але й як інструменти для біологів для кращого розуміння складних відносин між тваринами та середовищем. Приклад цього вираженого можна знайти щодо «RoboLobster» MIT у наступній цитаті:

Основним результатом цих досліджень стала тверда демонстрація того, що алгоритми зондування концентрації тропотактики не могли пояснити поведінку відстеження шлейфу у омарів... Тому ми змушені розглянути інші біологічно здійсненні алгоритми, щоб знайти розумне пояснення... Таким чином, RoboLobster розкрив нам щось про світ омарів, про який ми раніше тільки підозрювали: необхідність перемикання стратегій відстеження між різними регіонами шлейфу [Grass02]