The Making Of A Cyborg

Abstract

Menneskehjernen er en massivt parallell, energi-effektiv og robust beregningsmaskin som oppstår fra milliarder av nevroners evne til selvorganisering. I kontrast til hjernen er digitale datamaskiner skjøre maskiner hvis eksponensielle økning i regnekapasitet er på vikende front i takt med slutten på moore's lov. Hovedproblemene som holder prosessorer tilbake er energiforbruk og designkompleksiteten nødvendig for å parallelisere den sekvensielle von-neumann modellen som moderne prosessorer bygger på. En kyborg, kort for kybernetisk organisme, skapes som en del av NTNUs kyborg prosjekt som et prinsippbevis på å skape en nevro-digital hybrid. Kyborgen er en ekte robot, kontrollert av et hybrid nevro-digitalt system som består av nevralt vev kultivert i et laboratorie, et grensesnitt mellom det analoge domene til nevroner og det digitale domene til en datamaskin via elektriske signaler, og et fleksibelt rammeverk for å benytte teknikken "reservoir computing" for å skape en bro mellom robotens kontrollsystem og nevronenens dynamikk. Fokuset for denne oppgaven er design og impementasjon av et system der en digital datamaskin kobles til nevralt nett for å skape toveis kommunikasjon for så å lære å navigere en labyrint uten menneskelig innblanding. Det teoretiske rammeverket som muliggjør kommunikasjon presenteres først, og brukes så for å implementere et system der nevroner som oppbevares på det medisinske fakultet kan kontrollere en simulert robot fjernstyrt over en internett-forbindelse. All nødvendig software for å kommunisere med nevroner, fra det laveste analog-digitale nivået, til høynivå fortolkning av signaler er blitt implementert som en del av en experiment-plattform, som håndterer alt fra nettverk, lagring og avspilling av nevrodata samt konfigurasjon for den innebydge reservoir computeren.

The human brain is a vastly parallel, energy efficient and robust computing machine which arises 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 waning as moore’s law is coming to an end. The main issues faced by processors is the energy consumption, and design complexity of attempting to parallelize the inherently sequential underlying von-neumann architecture. This work is part of an interdisciplinary effort to investigate and exploit the properties of biological 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 for a hybrid neuro-digital organism. The cyborg is a real world robot, controlled by a hybrid neuro-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 the digital 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 where a digital computer interfaces with the neural tissue, forming a two-way bridge allowing the cyborg to learn how to navigate a simulated robot through a maze with no human intervention. The theoretical framework of reservoir computing is presented, providing a technique for communicating with neural cultures which is then used to implement a working proof of concept system, allowing neural tissue located at the neuroscience lab at the medical faculty at NTNU to control a small simulated robot remotely over an internet connection. All the nessesery software for interfacing with neurons, from the low level analog-digital level to the high-level interpretation of signals has been implemented as part of a platform for experimentation which handles networking, recording and playback of experiments, and the configuration of parameters for the embedded reservoir computer which is now available as the end product. A first experimental set-up is included as a working example.