【儀表網 研發快訊】北京理工大學機電學院石青教授團隊在機器人-動物交互領域取得重要進展，12月5日，研究成果以“通過類鼠機器人調節大鼠情緒狀態(Modulating emotional states of rats through a rat-like robot with learned interaction patterns)”為題，以研究長文(Research Article)形式在線發表于自然子刊《自然·機器智能》 (Nature Machine Intelligence)。該成果首創了一種機器人-大鼠社交范式(圖1)，展示了獨特的社交學習技能，實現了機器人與動物長時、重復和可控的開放式互動，克服了生物系統內自然社會交互的局限性，為理解人類與人工智能之間的“社會”互動提供新思路。
 

　　機電學院石青教授為論文通訊作者，機電學院博士生賈廣祿為論文第一作者，北京理工大學是該論文第一完成單位，相關工作由機電學院與德國慕尼黑工業大學研究團隊合作完成。
 

圖1 類鼠機器人通過多種學到的交互模式與大鼠互動并調節其情緒狀態
 

　　近年來，機器人作為社交伙伴融入生物系統，已經成為研究動物行為與神經內在機制的重要工具，可以作為觀察者和刺激物與動物互動，探索個體或集群動物如何對受控的環境變化做出反應，甚至能夠跨物種和生態系統進行信息傳遞。這種生物混合系統帶來了可控性，有助于闡明通過傳統技術無法揭示的潛在生物智能。然而，交互機器人仍然難以在生物系統中傳達多層異質信息，有效調節復雜的交互過程面臨著巨大挑戰：首先，與動物交流需要整合多種感官感知；其次，模仿多樣的復雜行為對于融入動物群體至關重要；此外，如何直接改變動物的內部狀態(如情緒)尚未深入探索。目前，仍缺乏全面的解決方案。
 

　　從大鼠的解剖結構、動態運動和社交互動中獲得靈感，該團隊開發了一款小型類鼠交互機器人。通過關鍵運動關節映射模型，設計了高靈活多關節脊柱，具有幾乎與大鼠運動極限一致的運動空間，解決了機器人的復雜社交姿態表達難題。基于動物演示的模仿學習算法實現了四種社會行為模板生成，學習到的行為可以表現出大鼠的運動特征，具有高相對動態范圍指數和高動態相似性。與國際同類機器人相比，在移動速度、體長、仿生外觀、運動能力等方面更接近大鼠，綜合性能更優(圖2)。
 

圖2 類鼠機器人模仿大鼠典型社會行為
 

　　團隊建立了可自定義交互規則的自動控制系統，突破了視覺感知、目標跟蹤和行為決策等多項核心技術，使機器人能夠根據預定義的任務目標與大鼠自主交互，大大提高了交互效率，實現了半小時內平均30次持續互動。進一步，通過三種預設的交互模式與大鼠進行持續半小時不知疲倦的互動，實驗結果標明大鼠可以區分不同的機器人的意圖和活動并做出相應的行為和聲學反應。特別是，機器人按住大鼠時(pinning)使其處于一種消極的情緒狀態；機器人攀壓或鼻尖接觸大鼠時(pouncing和social nose contact)使其處于一種積極的情緒狀態。這項工作有望幫助揭示感官感知、行為決策和內部狀態之間復雜的相互作用，以及這些決策或預測背后的大腦功能和神經回路機制。
 

圖3 與類鼠機器人社交互動實驗后的大鼠表現出不同行為和聲學反應
 

　　團隊未來將繼續探索使用多種感知反饋和行為模式在更長的時間內控制大鼠的內部狀態，擴展行為模式的“學習空間”，并泛化到更大的群體，助力機器人、行為神經科學和可解釋的人工智能發展。
 

　　附團隊介紹：
 

　　北理工微小型仿生機器人團隊依托機電學院，面向世界前沿，在微小型仿生機器設計、感知、控制等方面已開展了一系列研究，相關成果發表在Nature Machine Intelligence、PNAS、IEEE Transactions on Robotics等國際知名期刊。