The Making Of A Cyborg
Abstract
Menneskehjernen er en massivt parallell, energi-effektiv og robustberegningsmaskin som oppstår fra milliarder av nevroners evne tilselvorganisering. I kontrast til hjernen er digitale datamaskiner skjøremaskiner hvis eksponensielle økning i regnekapasitet er på vikende front i taktmed slutten på moore's lov. Hovedproblemene som holder prosessorer tilbake erenergiforbruk og designkompleksiteten nødvendig for å parallelisere densekvensielle von-neumann modellen som moderne prosessorer bygger på.En kyborg, kort for kybernetisk organisme, skapes som en del av NTNUskyborg prosjekt som et prinsippbevis på å skape en nevro-digital hybrid.Kyborgen er en ekte robot, kontrollert av et hybrid nevro-digitalt system sombestår av nevralt vev kultivert i et laboratorie, et grensesnitt mellom detanaloge domene til nevroner og det digitale domene til en datamaskin viaelektriske signaler, og et fleksibelt rammeverk for å benytte teknikken"reservoir computing" for å skape en bro mellom robotens kontrollsystem ognevronenens dynamikk.Fokuset for denne oppgaven er design og impementasjon av et system der endigital datamaskin kobles til nevralt nett for å skape toveis kommunikasjon forså å lære å navigere en labyrint uten menneskelig innblanding.Det teoretiske rammeverket som muliggjør kommunikasjon presenteres først, ogbrukes så for å implementere et system der nevroner som oppbevares på detmedisinske fakultet kan kontrollere en simulert robot fjernstyrt over eninternett-forbindelse.All nødvendig software for å kommunisere med nevroner, fra det lavesteanalog-digitale nivået, til høynivå fortolkning av signaler er blittimplementert som en del av en experiment-plattform, som håndterer alt franettverk, lagring og avspilling av nevrodata samt konfigurasjon for deninnebydge reservoir computeren. The human brain is a vastly parallel, energy efficient and robust computing machine whicharises from the self-organizing capabilities of billions of neurons. In contrast, digital com-puters are brittle devices whose exponential growth in processing power is now waningas moore’s law is coming to an end. The main issues faced by processors is the energyconsumption, and design complexity of attempting to parallelize the inherently sequentialunderlying von-neumann architecture.This work is part of an interdisciplinary effort to investigate and exploit the properties ofbiological substrates, i.e neurons, for computation. A cyborg, short for cybernetic organ-ism is being created as part of the NTNU cyborg project, serving as a proof of principle fora hybrid neuro-digital organism. The cyborg is a real world robot, controlled by a hybridneuro-digital system, consisting on neural tissue cultivated in a laboratory, an interface be-tween the analog domain of neurons and digital computer logic through electrical signals,and a flexible framework for utilizing reservoir computing to provide a bridge between thedigital logic of the robot control system and the dynamics of the neural tissue.The focus of this thesis is the design and implementation of a closed loop system wherea digital computer interfaces with the neural tissue, forming a two-way bridge allowingthe cyborg to learn how to navigate a simulated robot through a maze with no humanintervention. The theoretical framework of reservoir computing is presented, providinga technique for communicating with neural cultures which is then used to implement aworking proof of concept system, allowing neural tissue located at the neuroscience lab atthe medical faculty at NTNU to control a small simulated robot remotely over an internetconnection. All the nessesery software for interfacing with neurons, from the low levelanalog-digital level to the high-level interpretation of signals has been implemented aspart of a platform for experimentation which handles networking, recording and playbackof experiments, and the configuration of parameters for the embedded reservoir computerwhich is now available as the end product. A first experimental set-up is included as aworking example.