On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

"Influence of lower-limb joint models on subject-specific musculoskeletal model predictions during gait" ( "modelli muscoloscheletrici personalizzati dell'arto inferiore: Analisi dell'effetto della modellazione dei giunti sulla predizione dei carichi agenti sul sistema scheletrico durante il cammino").

The aim of the present thesis was to investigate the influence of lower-limb joint models on musculoskeletal model predictions during gait. We started our analysis by using a baseline model, i.e., the state-of-the-art lower-limb model (spherical joint at the hip and hinge joints at the knee and ankle) created from MRI of a healthy subject in the Medical Technology Laboratory of the Rizzoli Orthopaedic Institute. We varied the models of knee and ankle joints, including: knee- and ankle joints with mean instantaneous axis of rotation, universal joint at the ankle, scaled-generic-derived planar knee, subject-specific planar knee model, subject-specific planar ankle model, spherical knee, spherical ankle. The joint model combinations corresponding to 10 musculoskeletal models were implemented into a typical inverse dynamics problem, including inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization and joint reaction analysis algorithms solved using the OpenSim software to calculate joint angles, joint moments, muscle forces and activations, joint reaction forces during 5 walking trials. The predicted muscle activations were qualitatively compared to experimental EMG, to evaluate the accuracy of model predictions. Planar joint at the knee, universal joint at the ankle and spherical joints at the knee and at the ankle produced appreciable variations in model predictions during gait trials. The planar knee joint model reduced the discrepancy between the predicted activation of the Rectus Femoris and the EMG (with respect to the baseline model), and the reduced peak knee reaction force was considered more accurate. The use of the universal joint, with the introduction of the subtalar joint, worsened the muscle activation agreement with the EMG, and increased ankle and knee reaction forces were predicted. The spherical joints, in particular at the knee, worsened the muscle activation agreement with the EMG. A substantial increase of joint reaction forces at all joints was predicted despite of the good agreement in joint kinematics with those of the baseline model. The introduction of the universal joint had a negative effect on the model predictions. The cause of this discrepancy is likely to be found in the definition of the subtalar joint and thus, in the particular subject’s anthropometry, used to create the model and define the joint pose. We concluded that the implementation of complex joint models do not have marked effects on the joint reaction forces during gait. Computed results were similar in magnitude and in pattern to those reported in literature. Nonetheless, the introduction of planar joint model at the knee had positive effect upon the predictions, while the use of spherical joint at the knee and/or at the ankle is absolutely unadvisable, because it predicted unrealistic joint reaction forces.