Biological organisms must learn how to control their own bodies to achieve deliberate locomotion, that is, predict their next body position based on their current position and selected action. Such learning is goal-agnostic with respect to maximizing (minimizing) an environmental reward (penalty) signal. A cognitive map learner (CML) is a collection of three separate yet collaboratively trained artificial neural networks which learn to construct representations for the node states and edge actions of an arbitrary bidirectional graph. In so doing, a CML learns how to traverse the graph nodes; however, the CML does not learn when and why to move from one node state to another. This work created CMLs with node states expressed as high dimensional vectors suitable for hyperdimensional computing (HDC), a form of symbolic machine learning (ML). In so doing, graph knowledge (CML) was segregated from target node selection (HDC), allowing each ML approach to be trained independently. The first approach used HDC to engineer an arbitrary number of hierarchical CMLs, where each graph node state specified target node states for the next lower level CMLs to traverse to. Second, an HDC-based stimulus-response experience model was demonstrated per CML. Because hypervectors may be in superposition with each other, multiple experience models were added together and run in parallel without any retraining. Lastly, a CML-HDC ML unit was modularized: trained with proxy symbols such that arbitrary, application-specific stimulus symbols could be operated upon without retraining either CML or HDC model. These methods provide a template for engineering heterogenous ML systems.


翻译:生物学上的有机体必须学会如何控制自己的身体以实现有目的的运动,即根据其当前位置和选择的动作预测其下一次的身体位置。这种学习在目标无关的情况下进行,与最大化(最小化)环境奖励(惩罚)信号无关。认知地图学习器(CML)是三个独立但协作训练的人工神经网络的集合,它们学习构建任意双向图的节点状态和边动作的表示。通过这样做,CML学习如何遍历图形节点;但是,CML并不学习何时以及为什么从一个节点状态移动到另一个节点状态。本研究使用适合于高维计算(HDC)的高维向量将节点状态表达为CML,这是一种符号机器学习(ML)。通过这样做,将图形知识(CML)与目标节点选择(HDC)分离,允许每种ML方法独立训练。第一种方法使用HDC构建任意数量的分层CML,在此中,每个图形节点状态指定下一级CML要遍历到的目标节点状态。第二,在每个CML中展示了基于HDC的刺激-响应经验模型。因为超向量可能与彼此处于叠加状态,所以将多个经验模型相加并并行运行,无需重新训练。最后,将CML-HDC ML单元模块化:使用代理符号进行培训,以便可以在不重新训练CML或HDC模型的情况下操作任意的特定于应用程序的刺激符号。这些方法为工程异构ML系统提供了模板。

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