2012311014 이재홍
1. Introduction - 학습을통해더높은차원의 cognitive function 을얻어내는것은 artificial system 을더욱더 intelligent 하게만드는데중요한이슈. - 비단 AI 나 robotics 에만관련된것이아니라 neuroscience, cognitive science, developmental psychology, sociology 등등에도깊은연관이있음. - 그러나우리는높은차원의 human cognitive function 의메카니즘에대한지식이나이해가부족 이를 artificial system 으로구현하는것은 designer 의지식에달려있음. - 더중요한이슈는이러한 function 들이 design 의관점에서어떻게학습되어지는가하는것. - 게다가, primary function 에대해현재이해하고있는것과구현하는것이과연충분한것인가? 하는의문이존재. - Single module 로써더높은차원의 function 을개별적으로구현하는것보다는더높은차원의 cognitive function 이전체시스템의 context 와 dynamics 로부터어떻게얻어지는가에대해토론해봄으로써해답을얻을수있다.
1. Introduction - 대표적인 synthetic approach: cognitive developmental robotics (CDR) - CDR 은 human/humanoid cognitive development 를강조. - Developemental process 는두 phase 로구성 : early stage 에서의 individual development 와 later stage 에서 individual 간의상호작용을통해만들어지는 social development - Individual development 는 neuroscience 와관련이있고 social development 는 cognitive science 와관련이있음. - CDR 은이둘사이의 gap 을채우기위한목적뿐만아니라우리자신을이해하기위한새로운패러다임을세우는데에도도움을줌 - 본논문에서는다양한 aspect of infant development 에대한 CDR 에대한 survey 논문.
2. VARIOUS ASPECTS OF DEVELOPMENT A. Normal Development of Fetus and Infant - 최근의초음파영상처리기술을통해임신몇주후의뱃속의태아의움직임을관찰할수있으며자궁안에서의태아의학습가능성을살펴볼수있게됨. - Vries et al. : just discern movements (7.5 weeks) just discern movements (7.5 weeks) sucking and swallow (12.5 14.5 weeks) startle, general movements, hiccup, isolated arm movements, isolated leg movements, head retroflexion, head rotation, hand/face contact, breathing movements, jaw opening, stretch, head anteflexion, and yawn. - Campbell: 임신 26 주째의태아는눈을뜰수있고, 24 주와 27 주사이에는태아자신의손으로자기의얼굴을만질수있음. - Touch 가 first development, 그후에 taste, auditory, vision 등이 develop 되기시작. - 뺨에서의 hair stroke 을방지하기위한보호동작이며, skin sensitivity 가 10 주째생식기, 11 주째손바닥, 12 주째발바닥등으로빠르게확장됨. 시간이지나면서 25 주째에모든 perception 이 develop 된다.
2. VARIOUS ASPECTS OF DEVELOPMENT A. Normal Development of Fetus and Infant - 게다가어머니의배바깥쪽으로부터의시각자극이태아의뇌를 activate 시킬수있음이보고됨.
2. VARIOUS ASPECTS OF DEVELOPMENT A. Normal Development of Fetus and Infant - 생후 1 년째에는 imaging technology 의이용이제한적이기때문에 early cognitive development 는 visualize 하기어렵고, 따라서다음과같은관점들이제안됨. - 1) 성인의뇌구조로부터유아의뇌구조와뇌기능을도출해낼수없다. - 2) Function development 를위한뇌영역과 function maintenance 를위한영역은다르다. - 3) Attention mechanism 은 bottom-up 방식으로 develop 된다. - 4) 외형상으로퍼포먼스가비슷해보이는경우라하더라도 neural 구조는다를수있다.
2. VARIOUS ASPECTS OF DEVELOPMENT B. Development From a Viewpoint of Synthetic Approaches - 유아의행동을관찰해보면유아의 developmental process 는 centrally controlled 되는것이아니라 distributed and self-organized process 이다. - Self-organization 에서는몇몇 process 들이시냅스가소성과관련되어있는 neuromodulator 에의해제한되고이러한종류의상호작용을 metalearning 의 computational model 로부터예측한연구도있다.
2. VARIOUS ASPECTS OF DEVELOPMENT C. Model of Cognitive Development
3. SPINAL CORD BRAIN STEM CORTEX NETWORK A. Emergence of Fetal and Neonatal Movements Whole body motor pattern 은순수하게 body, environment, nervous system 의상호작용으로인해생성되도록함. SOM form M1 to α motor neuron 태아 brain model 에서 nervous system 은 CPG, S1(primary somatosensory area), M1(primary motor area) 등으로구성. 기본적인구조는주어졌으나 connection weight 의초기치는 random 으로주어짐, connection weight 는 Hebbian learning 과 selforganizing mapping 방법이사용됨.
3. SPINAL CORD BRAIN STEM CORTEX NETWORK A. Emergence of Fetal and Neonatal Movements 신생아의 rolling over 나 crawling 의 motor behavior
3. SPINAL CORD BRAIN STEM CORTEX NETWORK B. Other Synthetic Approaches - Chen et al. : 간략화된 one-arm body 에대한 Self-organizing cortical map model 제안 - Izhikevich and Edelman: Detailed large-scale thalamocortical model 시뮬레이션 C. Future Issues for More Details and Verification - 많은이슈들은두가지타입으로분류가능 - 1) Addition and refinement of the brain region - 2) Body parts including face, hand, and other sensor organs such as vision and auditory, and comparisons with experimental data on real agents (human infant and robots)
4. MECHANISM OF DYNAMIC MOTIONS A. Development of Motor Skills - 생후에유아는다양한 whole body movement 에노출됨. ( 뒤집기, 기기, 앉기, 서기, 걷기등 ) - 이러한발달과정중에 movements 는무의식에서의식적인것으로변화함. ( 뇌의 posterior region 과연관있음 ) - Righetti and Ijspeert: Baby humanoid model 의 crawling 에관한 pattern generator network 디자인. ( 실제기어가는아기의궤적을통해 oscillator 와 network 구성 ) - Degallier et al. : Infant-like robot platform icub 제작. - Schaal et al. : The neural mechanisms for motor control 제안, motor control 을위한 neural correlate 를통해 anterior cingulate cortex (ACC) 영역이더활성화되는것을확인함. 이러한영역을 extending 하고 developing 하는것이 ToM 의 responsible region 과부합.
4. MECHANISM OF DYNAMIC MOTIONS B. Musculoskeletal System as Physical Embodiment - Motor skill development 를위한 synthetic approach 는자기력을이용하는모터를사용하기때문에많은문제가있음. (control 에 delay 가크고 control frequency 에제한이있다.) - 이와유사하게 biological system 에도 neurotransmission delay 가있다. - 하지만 musculoskeletal system 은비선형적특징을가진 no-delay system 이며 stable motion 을구현할수있다. - 따라서이러한메커니즘에주목할필요가있고, McKibben 의 pneumatic actuator 가실제동물의근육과유사하게 dynamic motion 을취하는것을가능하게해준다.
4. MECHANISM OF DYNAMIC MOTIONS C. as a New Research Platform for CDR - 또다른타입의 pneumatic actuator 는 air cylinder 타입이며, 이는 CB^2 플랫폼에사용되었다. CB^2 은 whole-body soft skin 으로되어있고 51 개의 actuator 를이용한 flexible joint 들을갖고있다.
4. MECHANISM OF DYNAMIC MOTIONS C. as a New Research Platform for CDR - 다른하드웨어들과의비교
4. MECHANISM OF DYNAMIC MOTIONS C. as a New Research Platform for CDR - 일으키기실험 - 실험시작시사람이먼저움직이기시작하므로로봇의움직임에는 delay 가있을수있지만마지막자세를취하기까지사람과로봇의움직임은점점 synchronized 되어야한다. - CB^2 의 joint 속도와인간의 joint 위치를 motion capture 를통해얻고그상관관계를비교함. - 0.4 초의 time lag - Unsuccessful 한경우에는두영역이연결되지않음. - 이러한측정방법은주어진 task 를수행하는사람과로봇의 physical interaction 을평가하는데유용한방법일수있음.
5. BODY REPRESENTATION, MOTOR REPRESENTATION, AND SPATIAL PERCEPTION A. Conventional Body Representation in Robotics - 기존의 body representation 은 skeleton system 의 morphology 를주로다룸. (link, joint structure 등의파라미터 ) - 더 adaptive 한접근은로봇이이러한파라미터를환경속에서의자신의경험을통해추정해나가도록하는것. - 이러한접근이더 human-body modeling 과연관이있음. - Ramachandran: Phantom limb 을겪는환자들의고통은멀쩡한사지를보여주는시각자극을주었을때완화되는것을발견, body 의 cortical representation 이재구성될수있음을제안함. - 이러한 body image 는자기자신의몸과외부세상에서의관계를표현해준다고볼수있다.
5. BODY REPRESENTATION, MOTOR REPRESENTATION, AND SPATIAL PERCEPTION B. Synthetic Approaches to Body Representation and Frame of Reference - Yoshikawa et al. : 로봇이자신의손으로자신의몸을만지는동안 Hebbian learning 에기초한 somatic sensation 과 visual, tactile 사이의관계를 develop 하는모델제안. - Fuke et al. : 로봇이자신이볼수없는부분을통해 body image 를얻어내는것이가능한학습모델제안. (touch sensor, tactile image 의 activation 에근거한 perception 이용 )
5. BODY REPRESENTATION, MOTOR REPRESENTATION, AND SPATIAL PERCEPTION B. Synthetic Approaches to Body Representation and Frame of Reference - Hikita et al. : Vision, touch, proprioception 으로부터 cross-modal body representation 을구축하는방법제안. 로봇이무언가를만질때, tactile sense trigger 의활성화가 visual receptive field 의구축과정을 trigger 시킨다.
5. BODY REPRESENTATION, MOTOR REPRESENTATION, AND SPATIAL PERCEPTION C. Neuroscientific Approach to Frame of Reference - Ogawa and Inui : fmri 를이용하여 manual tracking 연구. - 참가자들은 sinusoidal 하게움직이는물체를마우스커서로 tracking 하도록함. - 몇몇시도에서 target 과 cursor 가 occlude 되기도함. - Occlusion 이발생하는동안 posterior parietal cortex(ppc) 의 activation 이활발하게일어남. - 이는몸의 motion 과동일한움직임을갖는물체가좌뇌에서주요하게추정되고 body motion 과상관없이외부적으로생성된움직임을갖는 target 에대해서는우뇌에서주로추정이됨을보여준다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION - 앞서서사물과 individual 간의관계를통해 develop 하는과정들에대해살펴보았지만 development 는 caregiver 와의상호작용도크게영향을미친다. 이챕터에서는 early communication, vowel imitation, joint attention, empathy development 에대해살펴보기로한다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION A. Early Communication - 인간의 communication 능력을로봇에적용하여디자인하는것으로는충분치않다. 대신 model 을만들고가상의 infant robot 을이용하여검증하는것이인간의 adaptive communication ability 메커니즘을연구하는데도움을줄수는있다. - 생후, 유아와이를돌보는이사이의친밀한 communication 이시작된다. 처음에는 communication 이 reflexive 하지만 development 가진행되면서유아가돌보는이의행동에어떻게반응하는지이해하고배우는것처럼보인다. - 유아는생후 4 개월까지지나면서돌보는이의일반적인행동에민감해진다. 4 개월의유아는자신의어머니와 communication timing 을조절하기시작한다. - Rochat et al. 은 2, 4, 6 개월된유아의 regular/irregular 한 peekaboo communication 실험을진행하였다. 실험결과 2 개월된유아는 regular 와 irregular 한 peekaboo communication 에대해같은정도의 smile level 과같은정도의 attention 을보이는반면 4, 6 개월된유아는 regular 한 peekaboo communication 에대해더많은집중과 smile 을보였다. - 이러한실험들은 4 개월된유아가, - 1) memorize the behavior of caregivers - 2) adjust the timing with expectation of the next behavior based on the memory. - 함을보여준다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION A. Early Communication - 6 개월 ~12 개월의유아는어떤물체들이그들의눈에서보이지않게되더라도계속적으로존재하고있음에대한인지를할수있다. 이러한개념은 object permanence 라불리고, 이는유아의노의 mother prediction 이나 image generation 과관련있다. - 이러한 prediction 능력들은 goal-directed movement 를형성하는데의미가있다고간주된다. - 게다가 predictive control 메커니즘은 pointing 이나 imitation 과같은 nonverbal communication 의 development 에도중요한역할을할것이라생각된다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION B. Action Execution and Understanding - 생후 6~9 개월되는유아는 reach, grasp, imitate action 을시작한다. - 12 개월이전의유아는움직임자체에더집중을하지만 12 개월이후의유아는행동을모방할수있다. - 이러한모방과정중에다른사람의행동을이해하기위한특정뇌영역이이용되며, 이를 mirror neuron system 이라한다. - MNS 와 different levels of action understanding 사이의관계는여전히불분명하다. - Ogawa and Inui 는이러한 different action level 에의한 common neural coding 이존재하는지하지않는지를조사하기위한실험을진행했다. 이실험에서는펜을잡고이를테이블의두위치에있는두컵중하나에넣는움직임을보여주는동영상두개를보여주었다. - 참여자들은첫번째행동과두번째행동이다음과같은네가지관점에서일치하는지판단하도록하였다. - 1) 펜이들어간컵 2) 펜이쥐어진방식 ( 엄지가위로, 아래로 ) 3) 펜을쥐기위해사용된팔 ( 왼팔, 오른팔 ) 4) 손의움직임의회전궤적 ( 시계방향, 반시계방향 ) - 실험결과각각의경우에따라다른영역의뇌가활성화됨을알수있었으며, 이러한구분된뇌영역은각각다른상황을감지한다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION C. Development of Vocal Imitation - 8 개월된아이는성인의 single vowel 을모방할수있다. 이러한모방을위해유아는소리를내기위한 sensorimotor mapping 뿐만아니라그들과그들보호자사이의소리일치성도찾아야한다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION C. Development of Vocal Imitation Ishihara et al. : Imitation 메커니즘을 Gaussian mixture network(gmn) 을이용하여 computational model 제시
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION D. Development of Joint Attention - 타인이보고있는물체를똑같이쳐다보는 joint attention 은 higher interpersonal cognition 과 communication 의기본중의하나이며따라서 developmental psychology 의주요한이슈가되어왔다. - 유아는생후부터 face-like pattern 에대해큰선호를보이고이러한능력은선천적인것으로믿어져왔다. - 이러한능력은자라면서없어지고, 그들은다른사람들을구분하고 categorize 하는방법을배울수있게된다. - Applied behavior analysis (ABA) therapy 가 Lovaas 에의해개발됨. ( 자폐아들에게다른사람들의얼굴을보도록훈련하는데주안점을둠 ) - Eye contact 이라는보호자와의상호작용을통해 preference 와 categorization 을학습하는과정. - 이러한 ABA therapy 를실제로봇에적용하여실험하였고, 로봇은학습후에 caregiver 의얼굴과눈에주의를집중할수있었다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION E. Empathy Development - 공감은 communication 에있어서필수적이다. - Communication channel 에있어서 55% 는얼굴과관련있고, 38% 는목소리의톤, 7% 는문맥과연관이있다. - 그러나얼굴표현으로드러나는공감형성의메카니즘에대해서는여전히불분명하다. - 로봇과사용자간의자연스러운 communication 을구현하기위해서는이러한공감을드러내기위한필수적인능력들이어떻게도출되는지명확히해야한다. - Singer et al. 은 fmri 를이용하여다른사람의고통을이해하기위해작용하는 brain activity 가어떻게일어나는지보였다. - 실험을통해, 타인의고통을느끼고이해하는부분은 cerebellum( 소뇌 ) 과 anterior cingulate cortex (ACC) 임을보였다.
6. FROM EMERGENCE OF SOCIAL BEHAVIOR THROUGH INTERACTIONS WITH CAREGIVER TO DEVELOPMENT OF COMMUNICATION F. Toward Verbal Communication - 유아는 18 개월주변에서새로운단어를학습하는 rate 이상당히증가하며 2 살이되기전에 1000~2000 단어를습득한다. 이를 language explosion 혹은 lexical explosion 이라부르는데, 이는 human cognitive developmental process 의가장큰미스터리중하나이다. - Machine learning 에서 lexicon 습득을시도하는 bottom-up approach 는 symbol grounding problem 에중점을두었다. Symbol grounding problem 은로봇이환경으로부터얻은센서정보와 caregiver 로부터얻은소리정보를어떻게연결할것인가에대한문제이다. - 전형적인방법은 caregiver 로부터나온단어와로봇이보는 visual feature 와의상호연관성확률을추정하는것에기반을두었다. - 그러나이러한통계적인방법은 lexical explosion 을설명하기에는충분치않다. - 대신에 Markman 은유아들은어휘를효과적으로습득하기위해몇가지 rule 이나 constraint 를활용할것이라제안하였다. - 게다가유아들은 passive 한존재들이아니라자신들의환경과의도적으로상호작용한다. Machine learning 에서사용하는방법은이러한유아의 active attitude 를반영하지못한다. - Cognitive neuroscience 에서는언어학습을위해사용되는뇌의 distributed neural network 들이어떻게 non-linguistic cognitive sequence learning 과관련이있는지가중요이슈이다.
7. DISCUSSION
7. DISCUSSION