Study of Morphological Development as a Tool for Learning Robotic Controllers

Abstract

[Abstract] Humans and animals undergo morphological development from infancy to adulthood, which takes place in parallel with cognitive development. In fact, this process has been shown to facilitate learning in humans. However, most of the works on developmental robotics consider fixed morphologies, addressing only the development of the cognitive system of the robots and ignoring the interaction between cognitive development and morphological development. Moreover, the few cases found in the literature where cognitive and morphological development are jointly addressed in robotic systems present rather heterogeneous and inconclusive results regarding the causes and the mechanisms that explain the influence of morphological development on learning. This work addresses the problem of identifying those features of morphological development that influence learning, as well as how and why this influence comes about. To this end, a simple and controlled experimental framework based on legged robot morphologies has been designed and an extensive series of experiments have been run in order to try to answer these questions. The conclusions obtained from this experimental work have been validated through the successful implementation on a bipedal robot of a morphological development strategy designed using the insights obtained. This has allowed us to posit an initial set of design principles that should be applied in order to produce successful morphological development processes for particular problems.

[Resumo] Os humanos e os animais sofren un desenvolvemento morfolóxico dende a infancia ata a idade adulta, que ten lugar en paralelo co desenvolvemento cognitivo. De feito, demostrouse que este proceso facilita a aprendizaxe nos humanos. Non obstante, a maior parte do traballo sobre robótica de desenvolvemento considera morfoloxías fixas, abordando só o desenvolvemento do sistema cognitivo de robots e ignorando a interacción entre desenvolvemento cognitivo e desenvolvemento morfolóxico. Ademais, os poucos casos atopados na literatura nos que o desenvolvemento cognitivo e morfolóxico son abordados conxuntamente nos sistemas robóticos presentan resultados bastante heteroxéneos e non concluíntes sobre as causas e os mecanismos que explican a influencia do desenvolvemento morfolóxico na aprendizaxe. Este traballo aborda o problema de identificar os trazos de desenvolvemento morfolóxicos que inflúen na aprendizaxe, así como o como e o porqué desta influencia. Para iso, deseñouse un marco experimental sinxelo e controlado baseado en morfoloxías de patas dos robots e realizáronse unha extensa serie de experimentos para tratar de responder a estas preguntas. As conclusións obtidas deste traballo experimental validáronse mediante a aplicación exitosa nun robot bípedo dunha estratexia de desenvolvemento morfolóxico deseñada a partir do coñecemento obtido. Isto permitiunos chegar a un conxunto inicial de principios de deseño que deberían aplicarse para producir procesos de desenvolvemento morfolóxico exitosos para problemas particulares.

[Resumen] Los seres humanos y los animales experimentan un desarrollo morfológico desde la infancia hasta la edad adulta, que tiene lugar en paralelo con el desarrollo cognitivo. De hecho, se ha demostrado que este proceso facilita el aprendizaje en los humanos. Sin embargo, la mayoría de los trabajos sobre robótica del desarrollo consideran morfologías fijas, abordando sólo el desarrollo del sistema cognitivo de los robots e ignorando la interacción entre el desarrollo cognitivo y el desarrollo morfológico. Además, los pocos casos encontrados en la literatura en que el desarrollo cognitivo y morfológico se abordan conjuntamente en los sistemas robóticos presentan resultados bastante heterogéneos y no concluyentes en cuanto a las causas y los mecanismos que explican la influencia del desarrollo morfológico en el aprendizaje. En este trabajo se aborda el problema de la identificación de los rasgos del desarrollo morfológico que influyen en el aprendizaje, así como el cómo y el porqué de esta influencia. Para ello, se ha diseñado un marco experimental simple y controlado basado en morfologías de robots con patas y se ha realizado una extensa serie de experimentos para intentar responder a estas preguntas. Las conclusiones obtenidas de este trabajo experimental han sido validadas mediante la aplicación con éxito en un robot bípedo de una estrategia de desarrollo morfológico diseñada a partir de los conocimientos obtenidos. Esto nos ha permitido plantear un conjunto inicial de principios de diseño que deberían aplicarse para producir procesos de desarrollo morfológico exitosos para problemas particulares.