Artificial neural networks for motor control usually adopt generic architectures like fully connected MLPs. While general, these tabula rasa architectures rely on large amounts of experience to learn, are not easily transferable to new bodies, and have internal dynamics that are difficult to interpret. In nature, animals are born with highly structured connectivity in their nervous systems shaped by evolution; this innate circuitry acts synergistically with learning mechanisms to provide inductive biases that enable most animals to function well soon after birth and learn efficiently. Convolutional networks inspired by visual circuitry have encoded useful biases for vision. However, it is unknown the extent to which ANN architectures inspired by neural circuitry can yield useful biases for other AI domains. In this work, we ask what advantages biologically inspired ANN architecture can provide in the domain of motor control. Specifically, we translate C. elegans locomotion circuits into an ANN model controlling a simulated Swimmer agent. On a locomotion task, our architecture achieves good initial performance and asymptotic performance comparable with MLPs, while dramatically improving data efficiency and requiring orders of magnitude fewer parameters. Our architecture is interpretable and transfers to new body designs. An ablation analysis shows that constrained excitation/inhibition is crucial for learning, while weight initialization contributes to good initial performance. Our work demonstrates several advantages of biologically inspired ANN architecture and encourages future work in more complex embodied control.


翻译:汽车控制的人工神经网络通常采用完全连接的 MLP 等通用结构。 虽然一般而言, 这些 tabula rasa 结构依赖大量经验学习, 不容易向新机构转移, 且内部动态难以解释。 在自然界, 动物的神经系统在由进化形成的神经系统中产生高度结构的连通性; 这种内生电路与学习机制协同使用, 提供诱导偏见, 使大多数动物在出生后能够顺利运行并有效地学习。 视觉电路启发的革命网络已经为视觉编码了有用的偏见。 然而, 不清楚由神经电路所启发的ANN结构能在多大程度上为其他AI领域带来有益的偏见。 在这项工作中, 我们问, 生物学激励ANNE 结构能够提供哪些优势; 具体地说, 我们将C. Elegans 移动电路转换为ANNE 模型, 控制一个模拟蒸发剂的模型。 在locomotion 任务中, 我们的架构取得了良好的初始性表现, 和与MLPs相似的测试性表现。 但是, 初始性的数据效率和初始性要求的重量级的初始性排序更低度分析, 我们的初始性结构能够解释, 演示结构能结构将显示为我们的重要的系统。

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