NCS-FO: Spatial Intelligence for Swarms Based on Hippocampal Dynamics

NCS-FO:基于海马动力学的群体空间智能

基本信息

  • 批准号:
    1835279
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 99.8万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-10-01 至 2021-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project brings together theories of brain functions and principles of robotic swarm control to develop smarter swarms and to better understand the neural processes underlying spatial representations, navigation, and planning. Our world is constantly changing, and mammals have evolved the cognitive ability to plan new paths or new strategies as needed. By contrast, autonomous robots are less robust, and often have difficulty operating in complex, changing environments. This research project is grounded in the idea that individual robots in a group can be thought of analogously to neurons in an animal's brain, which interact with one another to form dynamic patterns that collectively signal locations in space and time relative to brain rhythms. This distribution of information across space and time will enable a new paradigm of swarm control, in which swarms automatically adapt to changes in the world in the same way that a rat knows which detour to take around an unexpected obstacle. Unmanned robots are rapidly becoming a crucial technology for commercial, military, and scientific endeavors throughout the nation and across the globe. Critical future applications such as disaster relief and search & rescue will require intelligent spatial coordination among many robots spread over large geographical areas. This project will advance neural swarming as a control paradigm for this next generation of technological development. Additionally, this project will drive an extensive science, technology, engineering, and mathematics education program to bring the concepts of spatial intelligence, hippocampal information processing, and swarm control to high school students to improve literacy in neuroscience and robotics.The project's goal is to build a unified framework for self-organized, bottom-up control of spatial task planning that synergistically advances theoretical neuroscience and swarm control paradigms. In the project's brain-to-swarm metaphor, neurons are autonomous agents, spikes are agent-based phase signals, and emergent circuit activity is emergent swarm behavior. The approach targets neural computations in hippocampal circuits and related systems that may contribute to online dynamic replanning. The research thrusts comprise data-driven dynamical network and point-process models of neural activity sequences, mathematical analysis of swarming dynamics using matrix manifolds, and autonomous systems simulations in realistic virtual environments. The project will advance understanding of emergent hippocampal dynamics and autonomous methods for dynamic replanning, motivating new research in distributed control. The project's framework may enable mass-scalability for large, agile swarms of simple robotic agents.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目汇集了大脑功能理论和机器人群体控制原理,以开发更智能的群体,并更好地了解空间表示,导航和规划的神经过程。我们的世界在不断变化,哺乳动物已经进化出了根据需要规划新路径或新策略的认知能力。相比之下,自主机器人不太健壮,并且通常难以在复杂多变的环境中操作。这个研究项目的基础是这样一个想法,即一个群体中的单个机器人可以被认为类似于动物大脑中的神经元,它们相互作用形成动态模式,这些模式共同发出相对于大脑节律的空间和时间位置的信号。这种信息在空间和时间上的分布将使一种新的群体控制模式成为可能,在这种模式下,群体会自动适应世界的变化,就像老鼠知道如何绕过意想不到的障碍一样。无人驾驶机器人正迅速成为全国乃至地球仪商业、军事和科学研究的关键技术。未来的关键应用,如救灾和搜索救援,将需要分布在广阔地理区域的许多机器人之间的智能空间协调。该项目将推进神经群集作为下一代技术发展的控制范例。此外,该项目将推动一个广泛的科学,技术,工程和数学教育计划,将空间智能,海马信息处理和群体控制的概念带给高中学生,以提高神经科学和机器人技术的素养。该项目的目标是建立一个统一的框架,自下而上控制空间任务规划,协同推进理论神经科学和群体控制范式。在该项目的大脑到群体的比喻中,神经元是自主代理,尖峰是基于代理的相位信号,紧急电路活动是紧急群体行为。该方法的目标是海马电路和相关系统中的神经计算,这可能有助于在线动态重新规划。研究重点包括数据驱动的动态网络和神经活动序列的点过程模型,使用矩阵流形对群集动力学进行数学分析,以及在现实虚拟环境中进行自治系统仿真。该项目将促进对紧急海马动力学和动态重新规划的自主方法的理解,激发分布式控制的新研究。该项目的框架可以使大规模的可扩展性,敏捷的简单机器人代理群。这个奖项反映了NSF的法定使命,并已被认为是值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估的支持。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
An interdisciplinary approach to high school curriculum development: Swarming Powered by Neuroscience
高中课程开发的跨学科方法:神经科学支持的集群
Neurodynamical Computing at the Information Boundaries of Intelligent Systems
  • DOI:
    10.1007/s12559-022-10081-9
  • 发表时间:
    2022-12-27
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Monaco,Joseph D.;Hwang,Grace M.
  • 通讯作者:
    Hwang,Grace M.
Neuro-Inspired Dynamic Replanning in Swarms—Theoretical Neuroscience Extends Swarming in Complex Environments
群体中受神经启发的动态重新规划——理论神经科学扩展了复杂环境中的群体
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0.2
  • 作者:
    Hwang, Grace M;Schultz, Kevin M;Monaco, Joseph D;Zhang, Kechen
  • 通讯作者:
    Zhang, Kechen
Graph Signal Processing for Infrastructure Resilience: Suitability and Future Directions
  • DOI:
    10.1109/rws50334.2020.9241286
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kevin M. Schultz;Marisel Villafañe-Delgado;E. Reilly;Grace M. Hwang;Anshu Saksena
  • 通讯作者:
    Kevin M. Schultz;Marisel Villafañe-Delgado;E. Reilly;Grace M. Hwang;Anshu Saksena
Spatial synchronization codes from coupled rate-phase neurons.
来自耦合速率相位神经元的空间同步代码。
  • DOI:
    10.1371/journal.pcbi.1006741
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Monaco,JosephD;DeGuzman,RoseM;Blair,HughT;Zhang,Kechen
  • 通讯作者:
    Zhang,Kechen
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Kechen Zhang其他文献

Temporal association by Hebbian connections : The method of characteristic system
赫布联系的时间关联:特征系统方法
  • DOI:
  • 发表时间:
    1994
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kechen Zhang
  • 通讯作者:
    Kechen Zhang
Spatial Theta Cells in Competitive Burst Synchronization Networks: Reference Frames from Phase Codes
竞争突发同步网络中的空间 Theta 单元:来自相位码的参考系
  • DOI:
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    J. Monaco;H. T. Blair;Kechen Zhang
  • 通讯作者:
    Kechen Zhang
A Theory of Geometric Constraints on Neural Activity for Natural Three-Dimensional Movement
自然三维运动神经活动的几何约束理论
  • DOI:
    10.1523/jneurosci.19-08-03122.1999
  • 发表时间:
    1999
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kechen Zhang;T. Sejnowski
  • 通讯作者:
    T. Sejnowski
Maximum Likelihood Inference of Neuronal Dynamics under Noisy and Intermittent Observations using Sequential Monte Carlo EM Algorithms
使用顺序蒙特卡罗 EM 算法在噪声和间歇观察下神经元动力学的最大似然推断
  • DOI:
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Joshua T. Vogelstein;Kechen Zhang;Bruno;Jedynak;Liam Paninski
  • 通讯作者:
    Liam Paninski
Modeling Spatial Maps Inspired by the Hippocampal System
受海马系统启发的空间地图建模
  • DOI:
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kechen Zhang
  • 通讯作者:
    Kechen Zhang

Kechen Zhang的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Kechen Zhang', 18)}}的其他基金

Collaborative Research in Computational Neuroscience (CRCNS) 2010 Principal Investigator's Meeting in Baltimore
计算神经科学合作研究 (CRCNS) 2010 年巴尔的摩首席研究员会议
  • 批准号:
    1038119
  • 财政年份:
    2010
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Characterizing nonlinear auditory computations
表征非线性听觉计算
  • 批准号:
    0827695
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Continuing Grant

相似国自然基金

影像分型预测HAIC-FO优势肝癌人群及影 像基因组学的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
ATP合酶Fo基团在酸性环境的生理活性及其作用机制
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    15.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
烟曲霉F1Fo-ATP合成酶β亚基在侵袭性曲霉病发生中的作用及机制研究
  • 批准号:
    82304035
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
白念珠菌F1Fo-ATP合酶中创新药靶的识别与确认研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    52 万元
  • 项目类别:
    面上项目
GRACE-FO高精度姿态数据处理及其对时变重力场影响的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
ATP合酶FO亚基参与调控弓形虫ATP合成的分子机制
  • 批准号:
    32202832
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
顾及GRACE-FO极轨特性的高分辨率Mascon时变重力场建模理论与方法
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    59 万元
  • 项目类别:
    面上项目
GRACE-FO微波测距系统原始数据处理、噪声分析与评估
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    58 万元
  • 项目类别:
    面上项目
利用GRACE-FO和中国重力卫星协同探测时变重力场和质量分布变化
  • 批准号:
    42061134010
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
联合GRACE/GRACE-FO和GNSS形变数据反演连续精细的区域地表质量变化
  • 批准号:
    41974015
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    63.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

複数のFoトルク発生ユニットを持つATP合成酵素の創出
使用多个 Fo 扭矩产生单元创建 ATP 合酶
  • 批准号:
    24K01987
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
NCS-FO: Brain-Informed Goal-Oriented and Bidirectional Deep Emotion Inference
NCS-FO:大脑知情的目标导向双向深度情感推理
  • 批准号:
    2318984
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Modified two-photon microscope with high-speed electrowetting array for imaging voltage transients in cerebellar molecular layer interneurons
合作研究:NCS-FO:带有高速电润湿阵列的改良双光子显微镜,用于对小脑分子层中间神经元的电压瞬变进行成像
  • 批准号:
    2319406
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Dynamic Brain Graph Mining
合作研究:NCS-FO:动态脑图挖掘
  • 批准号:
    2319450
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Dynamic Brain Graph Mining
合作研究:NCS-FO:动态脑图挖掘
  • 批准号:
    2319451
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NCS-FO: Understanding the computations the brain performs during choice
NCS-FO:了解大脑在选择过程中执行的计算
  • 批准号:
    2319580
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Dynamic Brain Graph Mining
合作研究:NCS-FO:动态脑图挖掘
  • 批准号:
    2319449
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NCS-FO: Uncovering Dynamics of Neural Activity of Subjective Estimation of Time
NCS-FO:揭示主观时间估计的神经活动动态
  • 批准号:
    2319518
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: NCS-FO: A model-based approach to probe the role of spontaneous movements during decision-making
合作研究:NCS-FO:一种基于模型的方法,探讨自发运动在决策过程中的作用
  • 批准号:
    2350329
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NCS-FO: Functional and neural mechanisms of integrating multiple artificial somatosensory feedback signals in prosthesis control
NCS-FO:在假肢控制中集成多个人工体感反馈信号的功能和神经机制
  • 批准号:
    2327217
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 99.8万
  • 项目类别:
    Standard Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了