COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS AND BIOROBOTICS

Obiettivi formativi

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  Conoscere i principali metodi di analisi di un sistema complesso adattativo

  Conoscere i principali metodi di controllo di un sistema complesso adattativo

  Saper progettare semplici circuiti non lineari con capacità adattative

• BIOROBOTICS

  Il corso riguarda le principali linee guida per comprendere, progettare e realizzare circuiti e sistemi non lineari bioispirati con capacità adattive. Esso comprende una parte sperimentale software/hardware di laboratorio. Il corso comprende inoltre le linee guida relative alla progettazione e realizzazione di modelli di neuro-controllo per robot biologicamente ispirati. Gli obbiettivi formativi del corso si inquadrano, all'interno del corso di laurea in Automation engineering, sia in termini di acquisizione di competrenze specifiche nell'ambito dell'analisi e del progetto di sistemi dinamii non lineari di tipo neurale, sia tramite competenze emergenti nell'ambito del controllo di dinamiche complesse applicate alla movimentazione; gli aspetti rilevanti riguardano altresi' la capacità di progettare e realizzare sistemi adattativi e di apprendimento per macchine innovative di tipo percettivo ispirate al cervello di alcuni esseri viventi presi come organismi-modello.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  Lezioni frontali e esercitazioni

• BIOROBOTICS

  Lezioni frontali; esercitazioni e dimostrazioni con ausilio di strumenti multimediali, laboratorio

Prerequisiti richiesti

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  The knowledge of the main system theory topics and automatic control techniques is required. Basics of electronic circuit theory suitably helps the students.

• BIOROBOTICS

  Si richiede un corso di base di Teoria dei Sistemi e di Controlli Automatici

  A basic course of System Theory and Automatic Control is required.

Frequenza lezioni

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  Frequency is not strictly needed, but highly recommended.

• BIOROBOTICS

  La frequenza non è espressamente richiesta, ma altamente raccomandata.

  Frequency is not strictly needed, but highly recommended

Contenuti del corso

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  Fundamentals of nonlinear dynamical systems. Design of adaptive circuits based on nonlinear devices.

  1) Fundamentals of nonlinear dynamical systems: continuous-time systems

  2) Theory of elementary bifurcations for continuous-time systems

  3) Discrete-time dynamical systems: logistic map and bifurcations

  4) Equilibrium points, limit cycles, strange attractors

  5) Oscillations in second-order nonlinear circuits

  6) Chaotic systems

  7) Distributed systems, Cellular Neural Networks and reaction-diffusion systems

  8) Design of nonlinear systems

  9) Complex networks: analysis and control

• BIOROBOTICS

  Introduzione alla Biorobotica e agli aspetti interdisciplinari; studio approfondito delle dinamiche non lineari nei sistemi neurali biologici; modellistica del neurone biologico e studio nel piano delle fasi; modelli delle sinapsi e della loro modulazione; modelli computazionalmente efficienti delle reti neurali biologiche; esempi di simulazione in riferimento a casi di studio. Paradigmi neurali biologici per la generazione ed il controllo di sistemi di locomozione; il Generatore Centrale di Pattern (CPG) ed il controllo decentralizzato: studio approfondito e confronti in relazione ad animali presi come riferimento; implementazione dei paradigmi di controllo della locomozione tramite sistemi e circuiti non lineari (implementazione analogica e digitale); studio di esempi reali di robot biologicamente ispirati, controllati da modelli di reti neurali biologiche (implementazione di dinamiche ondulatorie “worm-like”, implementazione di reti CPG e controllori decentralizzati su robot esapodi, quadrupedi e bipedi). Il ruolo dei sistemi dinamici complessi nella modellistica e nel controllo di dinamiche percettive, con applicazione alla biorobotica: studio di dinamiche complesse per il controllo di sistemi percettivi per la biorobotica. Verso il modello computazionale del cervello di un robot insettoide.

Testi di riferimento

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  1. S. H. Strogatz, Nonlinear dynamics and chaos, Westview Press; 2nd edition (July 29, 2014)

  2. A. Buscarino, L. Fortuna, M. Frasca, Essentials of Nonlinear Circuit Dynamics with MATLAB® and Laboratory Experiments, CRC Press, 2017

  3. V. Latora, V. Nicosia, G. Russo, Complex Networks: Principles, Methods and Applications, Cambridge University Press, 2017

• BIOROBOTICS

  “Neuronal Control of Locomotion: From Mollusc to Man“, G. N. Orlovsky, T. G. Deliagina and S. Grillner;
  “Dynamical Systems, Wave-Based Computation and Neuro-Inspired Robots”, P. Arena ed.

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  Esame orale e tesina facoltativa/Oral examination and optional course project

• BIOROBOTICS

  E' provista una prova orale e la discussione di una tesina facoltativa, svolta prevalentemente durante il periodo di lezione

  Il colloqui orale verterà sulla discussione della eventuale tesina svolta dallo studente; seguiranno delle domande sui contenuti del corso. LA valutazione verra' formulata sulla base della qualità del lavoro di tesina (se presentato) o sulla pertinenza, capacita' espressiva e rigore metodologico utilizzato dallo studente durante l'esposizione. La valutazione verrà effettuata in maniera organica, assieme al docente responsabile del modulo di Complex Adaptive Systems.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS

  All topics of the course may be discussed in the examination

• BIOROBOTICS

  Generatore centrale di pattern; modellistica e controllo della locomozione; dinamiche neurali; algoritmi di apprendimento in reti neurali biologiche;