L\'apprendimento linguistico e numerico nei \"developmental robots\"

L’apprendimento  linguistico  e   numerico  nei     “Developmental  Robots” Angelo  Cangelosi1,  Vivian  M.  De  La  Cruz2,   Anthony  Morse1,  Alessandro  Di  Nuovo1,3,  Marek  Rucinski1,   Francesca  Stramandinoli  1,4,  Davide  Marocco1,   Kerstin  Fischer5 1.  Centre  for  Robotics  and  Neural  Systems,  Plymouth  University,  UK   2.  Dip.  di  Scienze  Cognitive  (CSECS),  Università  di  Messina,  Italia   3.  University  of  Enna  Kore,  Italy,  Centre  for  Robotics  and  Neural  Systems,  UK   4.  Italian  Institute  of  Technology   5.  Dept.  of  Design  and  Communication,  University  of  Southern  Denmark

Abstract

Language  and  number  learning  in  developmental  robots. Developmental Robotics is the interdisciplinar4 approach to the autonomous design of behavioural and cognitive capabilities in artiwcial agents that takes direct inspiration from the developmental principles and mechanisms observed in natural cognitive s4stems. This approach puts strong emphasis on constraining the robot’s cognitive architecture and behavioural and learning performance onto kno=n child ps4cholog4 theories and data, allo=ing the modelling of the developmental succession of qualitative and quantitative stages leading to the acquisition of adult-like cognitive skills. In this paper =e present a set of studies based on the developmental robotics approach looking speciwcall4 at the modelling of embodied phenomena in the acquisition of linguistic and numerical cognition capabilities.

Keywords

Developmental Robotics, Embodied Cognition, Grounded Cognition, S4mbol Grounding

Introduzione La   robotica   dello   sviluppo,   “Developmental   Robotics”   o   DR,   in   breve,   è   “l’approccio   interdisciplinare   alla   progettazione   di   capacità   comportamentali e cognitive autonome in agenti arti¿ciali (robot), ispirata  dai  principi  e  dai  meccanismi  dello  sviluppo  osservati  nei  si- stemi  cognitivi  naturali  (bambini)”  (Cangelosi,  Schlesinger  2015).  

La   maggior   parte   degli   studi   in   quest’ambito   si   è   concentrata   sull’interazione  tra  il  (bambino)  robot  in  fase  di  sviluppo  e  il  suo   ambiente  fisico  e  sociale.  Tale  approccio  è  naturalmente  adatto  alla   modellazione  della  cognizione  corporea  (Embodied  Cognition)  per   il  grounding  della  cognizione  (Pezzulo  et  al.  2013).  Soprattutto  per   quanto  riguarda  la  base  incarnata  (embodied)  dell’apprendimento   linguistico,  l’uso  di  robot  che  devono  imparare  a  nominare  gli  og- getti  che  vedono  e  le  azioni  che  compiono,  per  poter  comunicare   con  altri  robot  e/o  con  gli  umani,  offre  uno  strumento  ideale  per   modellare  il  grounding  di  simboli  nella  conoscenza  sensomotoria   e  nell’esperienza.  La  robotica  quindi,  fornisce  un  importante  stru- mento  per  affrontare  il  symbol  grounding  problem  nella  modella- zione   cognitiva   e   nei   sistemi   cognitivi   artificiali   (Harnad   1990;   Cangelosi  2011). Il  presente  contributo  fornisce  una  breve  recensione  di  una  serie   di  studi  recenti  basati  sull’utilizzo  della  DR  nella  modellazione  di   diversi   aspetti   dell’acquisizione   embodied   del   linguaggio   e   delle   capacità   numeriche   nei   robot   e   il   loro   grounding   nell’esperienza   percettiva   e   motoria.   La   prima   sezione   riguarda   la   modellazione   di  una  delle  prime  fasi  dell’apprendimento  linguistico  e  in  partico- lare  l’apprendimento  dei  nomi  d’oggetti,  basandosi  su  vincoli  del   corpo  come  quelli  della  postura  e  dello  spazio.  Questo  modello  è   successivamente  esteso  all’apprendimento  di  strutture  grammati- cali  semplici  ma  astratte,  all’apprendimento  di  frasi  composte  da   più   parole,   e   all’acquisizione   di   parole   di   significato   ancora   più   astratto.  La  sezione  finale  si  spinge  più  avanti  nella  gerarchia  del   symbol   grounding,   dimostrando   come   l’utilizzo   di   gesti   nel   con- tare  e  di  strategie  nel  contare  con  le  dita  aiutino  il  robot  ad  acqui- sire  diverse  capacità  correlate  alla  cognizione  numerica.

L’apprendimento   delle   prime   parole   e   il   ruolo   del   corpo Il   modo   in   cui   i   bambini   in   tenera   età   imparano   ad   associare   un   nome   ad   un   oggetto,   suggerisce   che   la   postura   del   corpo   giochi   un   ruolo  fondamentale  (Samuelson  et  al.  2011).  Per  riuscire  ad  imparare   qualcosa  dall’esperienza  in  tempo  reale,  il  soggetto  deve  poter  orien- 12

tare i suoi sensori, e quindi il suo corpo ¿sico, per rispondere agli stimoli.  In  una  serie  di  esperimenti,  abbiamo  esplorato  le  implicazioni   di  quest’ipotesi,  indagando  come  un  robot  potrebbe  associare  la  sua   postura  all’esperienza  sensoriale  attesa.   Gli  esperimenti  con  il  robot  sono  stati  basati  sul  lavoro  di  Samuelson   et  al.  (2011),  i  quali  estendendo  una  ricerca  fatta  da  Baldwin  (1993),   hanno   dimostrato   l’esistenza   nei   bambini   di   forti   tendenze   (o   bias)   posturali  e  d’orientamento  spaziale  nell’apprendimento  della  mappa- tura   delle   parole   agli   oggetti.   Infatti,   in   una   serie   d’esperimenti   gli   autori  hanno  dimostrato  che  i  bambini  usano  la  presenza  costante  di   un  oggetto  in  una  particolare  località  nello  spazio,  per  legare  ad  esso   un   nuovo   nome   in   situazioni   ambigue   di   naming.   La   costanza   spa- ziale   quindi,   fornirebbe   un   ottimo   indizio   referenziale,   come   anche   la  memoria  della  propria  postura  e  la  posizione  dell’oggetto  correlato   nell’associazione  degli  oggetti  ai  loro  nomi.   Abbiamo   esteso   la   loro   indagine   usando   un   modello   embodied,   l’iCub humanoid robot, per esplorare ulteriormente come l’inÀuenza del   fattore   spazio   possa   essere   studiata   per   mezzo   dell’interazione   ¿sica del robot con gli oggetti con le loro posizioni. Nel nostro mo- dello  associamo  le  caratteristiche  degli  oggetti  direttamente  alla  po- stura  del  corpo  nel  momento  in  cui  incontra  gli  oggetti  stessi,  insieme   all’associazione   delle   parole   alla   postura   assunta   dal   robot   nel   mo- mento  in  cui  le  ha  sentite.  Il  risultato  è  che  la  postura  del  corpo  agisce   come   uno   ‘hub’   (o   centro   di   attivazione),   in   modo   che   l’attivazione   distribuita  via  l’associazione  che  porta  alla  rappresentazione  posturale   a  sua  volta  attivi  le  parole  e/o  le  caratteristiche  visive  degli  oggetti  (in   una  sorta  di  priming  indiretto).   Il  modello  usato,  è  un’implementazione  dell’Epigenetic  Robotics   Architecture  (Morse  et  al.  2010),  architettura  di  robot  cognitivo  spe- ci¿camente progettato per studiare l’apprendimento del linguaggio secondo  un  approccio  embodied.  Il  nucleo  di  quest’architettura  con- siste  in  tre  mappe  auto-organizzante  (mappa  visiva;  mappa  del  corpo   guidata  dalle  informazioni  posturali;  mappa  delle  parole  pre-elaborata   con Dragon Dictate TM – software commerciale per la traduzione del parlato al testo) modi¿cate tramite l’apprendimento Hebbiano fra le unità.   La   mappa   visiva   e   la   mappa   corrispondente   alle   parole   sono   connesse   alla   mappa   della   postura   del   corpo,   con   pesi   che   vengono   13

aggiustati  utilizzando  regole  d’apprendimento  Hebbiane  (per  ulteriori   dettagli  si  veda  Morse  et  al.  2010). In   una   prima   versione   dell’esperimento,   l’oggetto   target   (palla   rossa) è collocato alla sinistra dell’iCub. Il robot ¿ssa il target per 10  secondi  circa,  prima  che  l’oggetto  target  venga  tolto  e  l’oggetto   distrattore messo invece sulla destra dell’iCub, e ¿ssato a sua volta per  10  secondi  circa.  Questa  procedura  è  ripetuta  4  volte.  Al  quinto   ciclo  di  presentazione,  l’oggetto  distrattore  è  messo  nella  posizione   normalmente  associata  con  l’oggetto  target,  e  la  parola  ‘modi’  viene   pronunciata.  Il  posizionamento  originale  degli  oggetti  viene  ripetuto   un’ultima  volta  e  quindi  i  due  oggetti  vengono  collocati  in  posizioni   nuove,  per  testare  il  robot  con  la  domanda  ‘trova  il  modi’.  L’iCub   si   orienta   e   cerca   di   raggiungere   con   il   braccio   uno   degli   oggetti.   Sono   state   eseguite   diverse   istanze   e   ripetute   20   volte,   re-inizia- lizzando  i  parametri.  I  risultati,  confrontati  con  i  bambini,  con  due   tassi d’apprendimento, sono mostrati nella Figura 1. Dopo aver re- plicato  i  dati  provenienti  dagli  studi  con  bambini,  abbiamo  eseguito   un  nuovo  esperimento,  seguendo  la  stessa  procedura  delineata  sopra   ma  aggiungendo  un  cambiamento  nella  postura  dell’iCub  (dalla  po- sizione  seduta  a  quella  in  piedi,  o  dalla  posizione  in  piedi  a  quella   seduta,  in  modo  contro  bilanciato)  per  i  compiti  di  “naming”  esclu- sivamente  nel  quinto  ciclo  di  presentazione.  Questo  cambiamento  in   postura  fa  si  che  il  compito  di  denominazione  avvenga  assumendo   una  postura  che  non  era  stata  precedentemente  associata  ne  all’og- getto target ne a quello distrattore. In fase di veri¿ca, si è visto che l’interferenza  tra  gli  oggetti  precedentemente  incontrati  e  la  nuova   postura  porta  l’iCub  a  scegliere  l’oggetto  distrattore  (l’oggetto  che   ¿ssava quando prima senti il suo nome). Questo risultato è stato recentemente veri¿cato in nuovi esperimenti con bambini (Morse et  al.  submitted).  In  quest’ultimo  esperimento  si  è  dimostrato  che  i   bambini  (e  i  robot)  usano  la  memoria  delle  posture  per  organizzare   il  loro  compito  d’apprendimento.  Se  due  diverse  posture  sono  usate,   in  una  prima  fase  dello  sviluppo,  il  robot  le  usa  per  separare  i  diversi   compiti  cognitivi. Le  implicazioni  di  quest’ipotesi  sono  di  vasta  portata.  Per  esempio,   si   sa   che   pattern   atipici   dello   sviluppo   motorio   hanno   spesso   una   co-morbidità  con  molti  altri  disturbi  dello  sviluppo  cognitivo,  e  pattern   14

di  movimenti  anormali  sono  spesso  collegati  ad  uno  scarso  controllo   attentivo   nei   bambini,   però   i   motivi   non   sono   ancora   ben   compresi.   Questa  linea  di  ricerca  potrebbe  fornire  una  via  perseguibile  per  meglio   comprendere,  da  un  punto  di  vista  meccanicistico,  le  dipendenze  in  età   evolutiva  tra  i  processi  sensomotori  e  lo  sviluppo  cognitivo.

Fig. 1: Risultati del modello robotico e quelli degli esperimenti con bambini in diverse condizioni sperimentali. Esperimento 1: Attenzione del bambino attirata alla posizione dell’oggetto target senza oggetto presente durante il naming.   Esperimento 2: Stessa procedura ma posizione dell’oggetto cambiata. Esperimento 3: Cambiamento di postura introdotta durante il naming (dati con bambini non disponibili). Esperimento 4: Segue esperimento 1 ma oggetto distrattore adesso si trova nella posizione del naming. Esperimento 5: Replica esperimento 4 ma con cambiamento di postura (dati con bambini non disponibili). Dati e analisi degli esperimenti 3 e 5 con bambini sono in via di pubblicazione.

3.  L’apprendimento  della  grammatica   Apprendere la grammatica signi¿ca capire gli indizi strutturali che codi¿cano con¿gurazioni semantiche astratte. Un esempio è l’ordine delle  parole  o  il  word  order.  In  lingue  con  poca  marcatura  morfologica   15

come  l’Inglese  per  esempio,  l’ordine  delle  parole  gioca  un  ruolo  par- ticolarmente  importante  (Kirkwood  1969).  Nella  frase,  “The  princess   kissed  the  frog”,  per  esempio,  l’ordine  dei  sostantivi  fornisce  informa- zioni  su  chi  ha  baciato  chi. Il  word  order  non  è  una  semplice  mappatura  tra  elementi:  richiede   invece  la  comprensione  della  struttura  dei  pattern  e  il  tipo  di  categoria   semantica  coinvolta.  Per  esempio,  una  frase  nominale  può  avere  molte   realizzazioni  come:  the  frog,  the  green  frog,  the  big  green  frog,  ecc.   Quindi,  sia  le  problematiche  semantiche  che  strutturali  sono  conside- rate  nell’interpretazione  della  struttura  grammaticale. Nello  studio  descritto  nella  presente  sezione,  utilizziamo  un  modello   di   DR   per   progettare   un   robot   che   impari   a   sfruttare   gli   indizi   forniti   dall’ordine  delle  parole,  per  riuscire  ad  inferire  la  categoria  semantica   di  parole  sconosciute  in  enunciati  nuovi.  Il  modello  è  costruito  con  due   diversi  sistemi,  creati  con  lo  scopo  di  combinare  informazione  seman- tica  con  un  semplice  tipo  d’analisi  grammaticale.  Nel  modello  il  robot   impara il signi¿cato del linguaggio a cui è esposto, basandolo (groun- ding)   sulle   proprie   esperienze   sensomotorie,   come   fanno   i   bambini   umani  (per  dettagli  Marocco  et  al.  2010;  Morse  et  al.  2010).  Tuttavia,   i bambini, per¿no in età molto precoce, hanno anche mostrato di poter eseguire  analisi  distributive  degli  enunciati  che  sentono  (Gómez  2007),   estraendo   le   regolarità   e   i   rapporti   di   co-occorenza   in   diversi   compiti   di categorizzazione linguistica (e.g. l’identi¿cazione d’elementi dell’in- ventario   fonologico,   la   segmentazione   delle   parole,   la   distinzione   fra   parole  di  contenuto  da  quelle  invece  con  funzione  prettamente  gram- maticale)  facendo  partire  i  primi  processi  di  categorizzazione  sintattica.   Nel  bambino,  durante  il  suo  iniziale  “apprendistato”  linguistico,  tutti  i   due  i  processi  d’apprendimento,  quello  embodied  e  quello  distribuitivo,   interagiscono, inÀuenzandosi a vicenda. Nel caso discusso in questa se- zione,  impieghiamo  un’architettura  che  consente  al  nostro  iCub  d’impa- rare  nuove  parole  dall’interazione  fra  le  informazioni  di  tipo  distribui- tivo  e  quelli  grounded  o  basati  sulle  informazioni  sensomotorie. Il   modello   che   apprende   la   grammatica   combina   un   modulo   basato   sull’Epigenetic   Robotics   Architecture   (ERA),   che   fornisce   il   grounding   delle   parole   come   descritto   nella   sezione   precedente,   e   i   Recurrent   Neural   Networks   (RNN),   che   invece   consentono   l’abilità   di  estrarre  caratteristiche  temporali  dall’analisi  dell’ordine  seriale.  Il   16

modulo   ERA   può   imparare   rappresentazioni   astratte   dall’esperienza   continua  in  maniera  cross-situazionale,  per  produrre  e  spiegare  diversi   fenomeni  cognitivi  e  comportamentali.  Il  modulo  di  reti  ricorrenti  è   addestrato  con  l’algoritmo  della  propagazione  all’indietro  degli  errori   (Error  Back  Propagation),  che  impara  le  sequenze  dinamiche  dei  pat- tern  d’input-output  man  mano  che  si  sviluppano  nel  tempo.  In  parti- colare,  presentiamo  al  robot  i  seguenti  enunciati  con  le  corrispondenti   situazioni:  touch  ball,  touch  cube,  touch  red,  touch  green,  touch  green   ball,  touch  green  cube,  touch  red  ball,  touch  red  cube.  Evidenziamo   come  l’input  è  costruito  in  modo  che  una  semplice  mappatura  o  as- sociazione  tra  la  posizione  della  parola  nella  frase  e  la  sua  categoria   semantica  non  sia  possibile,  è  invece  l’ordine  in  cui  gli  aggettivi  e  i   sostantivi  occorrono  che  fornisce  informazione. Durante l’apprendimento, ogni parola è associata ad un pattern spe- ci¿co d’attivazione nelle mappe di colore, forma e postura del corpo del  modulo  ERA.  Man  mano  che  il  modulo  ERA  associa  le  parole  alle   caratteristiche  (e.g.  forma  e  colore  di  un  oggetto)  nell’addestramento   della  rete  neurale,  ogni  parola  di  una  sequenza  dell’input  è  associata   alla  categoria  semantica  corrispondente  fornito  dal  modulo  ERA  come   output  desiderato.  Per  esempio,  nel  caso  di  “touch  the  red  cup”,  consi- derato  che  “touch”,  “red”  e  “cup”  sono  già  conosciuti  al  modulo  ERA,   la  rete  neurale  imparerà  l’associazione  corretta:  “touch”/action,  “red”/ color,  “cup”/shape.  La  rete  neurale  impara  implicitamente  l’associa- zione   tra   il   word   order   di   una   frase   con   la   corrispondente   categoria   semantica di ogni parola che forma la frase stessa. Dopo l’addestra- mento,  la  rete  sarà  in  grado  di  prevedere,  sulla  base  della  posizione   della  parola  nella  frase,  la  categoria  semantica  attesa.  Sarà  in  grado,   per   esempio,   di   prevedere   che   ‘purple’   sarà   il   colore   dell’oggetto   nell’enunciato  “touch  the  purple  cup”  nonostante  non  abbia  mai  sen- tito  tale  parola. Il  sistema  proposto  è  stato  testato  con  il  simulatore  iCub  (si  veda   anche   Marocco   et   al.   2010).   Per   quanto   concerne   l’esperienza   sen- somotoria,   abbiamo   utilizzato   una   giunzione   posta   sulla   spalla,   che   permette  al   robot   di   raggiungere   un   oggetto   estendendo   il   braccio   e   muovendolo  su  una  scrivania  posta  davanti,  e  un  sensore  binario  tattile   sulla   mano   in   modo   che   potesse   fornire   feedback   sensoriale   tattile.   Il  sistema  visivo  del  robot  fornisce  informazioni  sulla  forma  dell’og- 17

getto  e  il  suo  colore.  Il  parametro  della  forma  è  calcolato  dall’imma- gine  dell’oggetto  e  il  suo  valore  è  aggiunto  come  input  al  controllore   di   rete   neurale   insieme  al   colore   in   valori   RGB.   Il   robot   genera   au- tomaticamente  un  movimento  quando  riceve  come  input  uno  sposta- mento  dell’angolo  della  giuntura.  Il  movimento  corrisponde  al  target   angle  ed  è  generato  per  mezzo  di  un  pre-programmed  proportional-in- tegral-derivative  (PID)  controller.  Lo  stato  sensomotorio  del  robot  è   aggiornato  ogni  500  ms. Nell’esperimento,  due  oggetti  (un  cubo  e  una  palla)  e  due  colori   (rosso  e  verde)  sono  presentati  al  robot.  Frasi  di  tipo  vero  o  falso  sono   forniti  al  robot,  e.g.  touch  red  ball  (true)  se  una  palla  rossa  è  presente   o  touch  green  ball  (false)  se  solo  un  cubo  verde  è  presente.  Frasi  con   un   terzo   colore,   blue,   invece, sono usati per la fase di veri¿ca, e.g. touch  blue  ball.  L’azione  richiesta  al  robot  è  di  toccare  o  non  toccare   l’oggetto.  Il  totale  delle  sequenze  d’input  disponibili  era  32,  ma  solo   24  di  quelle  sequenze  sono  state  usate  durante  l’addestramento.  Le  8   rimanenti  sono  state  usate  per  l’esecuzione  di  test  di  generalizzazione.   Dopo l’addestramento, un’analisi delle rappresentazioni interne prima e  dopo  l’input  linguistico  mostra  che  la  complessità  del  set  d’addestra- mento  e  la  struttura  grammaticale  più  articolata  delle  frasi  hanno  un   effetto  sull’organizzazione  interna  del  controllore  neurale  tale  che  le   rappresentazioni  interne  sono  rimodellate  in  modo  che  tutti  i  termini   di   colore   sono   correttamente   categorizzati   come   colori,   basati   sulla   loro  posizione  nell’ordine  delle  parole.  Questo  indica  che  è  possibile   identi¿care correttamente le categorie semantiche da informazioni di- stributive  forniti  dall’ordine  delle  parole,  che  a  sua  volta  permette  al   sistema arti¿ciale di assegnare il signi¿cato corretto alla nuova parola sulla  base  della  sua  posizione  nella  frase. L’architettura   proposta   quindi,   permetterebbe   al   learner   robotico   d’imparare   nuove   parole   tramite   l’abbinamento   di   dati   provenienti   dalle   analisi   distributive   precedenti   (forniti   dalle   regolarità   nell’or- dine   delle   parole   nel   linguaggio   target),   con   quelli   sensomotori.   Se   una parola non è conosciuta, il suo signi¿cato corretto le sarà asse- gnato  dal  modulo  ERA,  grazie  alla  capacità  del  modulo  RNN  d’infe- rire  la  categoria  semantica  sulla  base  dell’informazione  distributiva.   Nonostante  questo  esperimento  sia  stato  applicato  ad  un  dominio  piut- tosto  ristretto,  i  risultati  indicano  che  meccanismi  relativamente  sem- 18

plici  possono  in  parte  spiegare  come  si  creano  abbinamenti  di  signi- ¿cati astratti, come peraltro richiede l’apprendimento grammaticale in  generale.  Per  esempio,  per  i  proponenti  del  construction  grammar   (Goldberg  1995;  Tomasello  2003)  la  grammatica  consiste  esclusiva- mente  di  abbinamenti  di  questo  tipo.

4.  L’apprendimento  delle  parole  astratte Studi  sull’acquisizione  lessicale  dei  bambini  in  età  precoce  hanno   dimostrato che l’apprendimento del signi¿cato delle parole concrete precede  quello  dei  concetti  astratti  (Gentner  1982).  Mentre  i  termini   concreti   (e.g.   i   nomi   d’oggetti)   si   riferiscono   ad   entità   tangibili   ca- ratterizzati  da  una  associazione  a  informazioni  percettive-cognitive,  i   termini  astratti  si  riferiscono  ad  entità  intangibili  che  hanno  un  legame   percettivo-cognitivo  più  debole  con  il  mondo  reale.  Quindi,  durante   il processo d’acquisizione del signi¿cato delle parole, la mappatura delle   informazioni   percettivo-cognitive   legate   ai   concetti   concreti   entra  nel  dominio  linguistico  molto  prima  di  quella  riguardante  i  con- cetti  astratti. Molti  hanno  suggerito  che  la  distinzione  tra  le  parole  astratte  e  con- crete  si  trova  su  un  continuum  nel  quale  tutte  le  entità  possono  variare   a  secondo  del  loro  livello  di  astrazione  (Wiemer-Hastings  et  al.  2001).   Nei  tentativi  di  modellare  le  basi  embodied  dell’apprendimento  delle   parole  astratte  con  i  robot,  i  verbi  astratti  d’azione  come  “to  use”  e  “to   make”   sono   stati   maggiormente   usati,   perché   rappresentativi   di   una   classe di parole descriventi azioni, ma con un signi¿cato abbastanza generale.  Sfruttando  le  strutture  gerarchiche  ricorsive  osservate  sia  nel   linguaggio  che  nel  sistema  motorio  (Cangelosi  et  al.  2010),  abbiamo   creato  un  modello  iCub,  che  integra  semplici  strutture  motorie  primi- tive  con  parole  concrete  per  creare  i  referenti  semantici  delle  parole   astratte  d’azione  che  non  hanno  un’associazione  diretta  con  il  mondo   percettivo.  I  referenti  semantici  delle  parole  astratte  d’azione  sono  for- mati   tramite   il   recall   o   rievocazione   e   il   riutilizzo   della   conoscenza   sensomotoria  direttamente  basata  o  grounded,  durante  l’interazione  di   un  agente  con  il  mondo  reale  (Stramandinoli  2012,  2011).  Il  mecca- nismo  alla  base  è  quello  del  “symbol  grounding  transfer”  (Cangelosi,   Riga  2006). 19

Seguendo   la   struttura   “verb-argument”   dell’action-object   frame   come  componente  base  del  linguaggio  umano  (Arbib  2002),  il  compito   consiste  nell’addestrare  l’iCub  ad  imparare  un  set  di  comportamenti   tramite l’utilizzo di alcuni attrezzi speci¿ci associati all’acquisizione di   frasi   composte  da   due   parole.   Le   frasi   consistono   in   un   verbo   ed   un sostantivo, e descrivono la speci¿ca azione d’eseguire sull’oggetto selezionato.  Partendo  da  questa  premessa,  il  robot  prima  è  addestrato   a  riconoscere  un  insieme  di  attrezzi  caratterizzati  dal  loro  colore,  di- mensione  e  forma  (e.g.  coltello,  martello,  pennello)  e  ad  eseguire  una   serie   di   azioni   con   gli   oggetti   (e.g.   tagliare,   martellare,   dipingere).   Successivamente,   gli   viene   insegnato   a   denominare   questi   oggetti   e   le azioni (e.g “cut with knife”). In¿ne, gli sono insegnate le parole astratte  motorie  “use”  e  “make”  combinando  queste  nuove  parole  d’a- zione  con  i  suoi  attrezzi  (e.g.  “use  knife”). Per  simulare  i  meccanismi  sottostante  all’elaborazione  di  sequenze   motorie   e   linguistiche,   abbiamo   usato   nell’iCub   i   partial   recurrent   neural  networks  (P-RNNs)  come  controllore  neurale.  Un  multi-modal   3-layer   Jordan   P-RNN   (Jordan   1986)   è   stato   usato   per   ricevere   le   modalità   di   input   linguistico,   visivo   e   propriocettivo   e   per   l’output   di  parole,  risposte  motorie  e  rappresentazioni  degli  oggetti.  Gli  input   visivi  e  sensomotori  sono  stati  registrati  dai  sensori  dell’iCub,  mentre   gli   input   linguistici   consistevano   in   vettori   binari   per   i   quali   è   stata   adottata la codi¿ca “one-hot”,  in  cui  ogni  unità  rappresenta  una  sin- gola   parola.   La   visione,   le   azioni   e   il   linguaggio   sono   integrati   da   questa  rete  ricorrente  per  consentire  il  grounding  delle  parole  astratte   d’azione  nella  conoscenza  sensomotoria. Gli  esperimenti  eseguiti  con  il  modello  di  simulazione  dell’iCub,   mostrano   la   capacità   del   robot   di   comprendere   correttamente   e   ri- spondere   alle   istruzioni   linguistiche   usando   le   parole   astratte   “use”   e   “make”.   Gli   esperimenti   hanno   riguardato   anche   gli   effetti   dell’u- tilizzo   di   diverse   combinazioni   delle   tre   modalità   di   input   (visione,   linguaggio  e  propriocezione).  Per  esempio,  la  categorizzazione  degli   input   percettivi,   propriocettivi   e   linguistici   del   robot,   diminuivano   quando  gli  input  linguistici  o  visivi  non  erano  forniti.  Sono  stati  ese- guiti  anche  dei  test  di  condizione  incompatibile;  quando  un’incoerenza   tra  gli  input  percettivi  e  linguistici  è  presente,  i  risultati  della  simula- zione  dimostrano  che  il  robot  ignora  i  comandi  linguistici  eseguendo   20

le  azioni  suscitate  dalla  visione  degli  oggetti.  Questi  risultati  sono  con- sistenti con evidenze neuroscienti¿che e psicologiche che dimostrano come  gli  oggetti  percepiti  visivamente  attivano  informazioni  motorie   (Jeannerod   1994,  Arbib   1997).   Quindi,   la   conoscenza   associata   agli   oggetti  dipende  non  solo  dalle  caratteristiche  degli  oggetti  percepiti,   ma  anche  dalle  azioni  che  possono  essere  eseguite  con  o  su  di  loro  (i.e.   affordances).  Altri  esperimenti  ancora  con  il  simulatore,  suggeriscono   che  l’acquisizione  di  concetti  collegati  a  parole  astratte  d’azione,  ri- chiede  l’attivazione  di  rappresentazioni  interne  che  sono  simili  a  quelle   attivate   durante   l’acquisizione   di   concetti   concreti.   Questo   risultato   suggerisce  che  la  rappresentazione  semantica  delle  parole  astratte  d’a- zione  richiede  il  recall  e  il  riutilizzo  delle  capacità  rappresentazionali   sensomotorie  (i.e.  comprensione  embodied  del  linguaggio  astratto).  A   sostegno di questa tesi esistono evidenze neuro¿siologiche sulla mo- dulazione  del  sistema  motorio  durante  la  comprensione  del  linguaggio   sia  concreto  sia  astratto  (e.g.  Glenberg  et  al.  2009). Nonostante  sia  chiaro  che  in  linguaggio  è  almeno  in  parte,  basato  o   grounded  nell’esperienza  sensomotoria,  è  anche  evidente  che  si  deve   andare  oltre  il  semplice  grounding  sensomotorio.  Il  lavoro  futuro  con   il  robot,  in  questa  direzione,  utilizzerà  modelli  ibridi,  nei  quali  alcuni   concetti   potranno   essere   grounded   direttamente   nell’esperienza   sen- somotoria  del  robot,  mentre  altri  potranno  essere  acquisiti  tramite  in- ferenza  statistica.  

5.  Imparare  a  contare:  il  ruolo  delle  dita   La  cognizione  numerica  è  un  altro  esempio  dell’importanza  che  ha  la   cognizione  embodied  nell’acquisizione  delle  capacità  di  manipolare  in- formazioni astratte e di tipo simbolico. Diverse strategie embodied,  come   ad  esempio  usare  le  dita  per  puntare,  o  per  contare,  sia  tramite  gesti  usati   per  toccare  gli  oggetti  da  contare,  sia  come  gli  oggetti  stessi  da  contare,   hanno  mostrato  di  facilitare  lo  sviluppo  delle  capacità  di  cognizione  nu- merica (e.g. Alibali, DiRusso 1999; Moeller et  al.  2011).  La  base  embo- died  dei  numeri  è  stata  anche  dimostrata  negli  adulti,  come  negli  effetti   della   dimensione,   la   distanza   e   dell’effetto   SNARC   (Spatial-Number   Association of Response Codes; Dehaene, Bossini, Giraux, 1993). In questa sezione, guardiamo nello speci¿co a due modelli robotici dell’em- 21

bodiment  numerico,  vale  a  dire  il  ruolo  dei  gesti  di  conteggio  (counting   gestures)  e  quello  del  contare  con  le  dita  (¿nger counting). Il  contributo  delle  dita  nell’apprendere  a  contare  è  un  fenomeno  in- teressante  dello  sviluppo  infantile,  dal  punto  di  vista  dell’embodiment   delle   conoscenze   linguistiche   e   simboliche.   Sembra   che   sia   proprio   grazie  all’imparare  a  contare  con  le  dita  che  i  bambini  riescano  a  co- struire un collegamento tra le capacità approssimative di quanti¿cazione pre-verbali  e  le  capacità  precise  di  manipolazione  simbolica  (Le  Corre,   Carey  2007).  Quando  impegnati  nell’apprendere  a  contare,  i  bambini  in- dicano,  toccano  o  muovono  oggetti,  e  moltissimi  studi  mostrano  il  bene- ¿cio che le strategie sensomotorie hanno sulla performance del contare (e.g. Graham 1999, Alibali, DiRusso, 1999). Tre le ipotesi principali. La  prima  sostiene  che  i  gesti  aiutano  i  bambini  a  superare  i  limiti  delle   risorse  cognitive  assistendoli,  ad  esempio,  nel  tenere  traccia  degli  item   già   contati.   La   seconda   invece   sostiene   che   le   strategie   sensomotorie   potrebbero  giocare  una  funzione  coordinativa  in  quanto  combinano  una   corrispondenza  temporale  tra  il  parlato  e  la  corrispondenza  spaziale  con   gli  item  contati  in  un’unica  attività  corporea.  La  terza  ipotesi  sostiene  che   i  gesti  potrebbero  facilitare  l’apprendimento  sociale,  fornendo  un  tutor   con  feedback  sul  progresso  d’apprendimento  del  bambino.  Indagando   sul  contributo  dei  gesti  nel  contare  al  processo  d’apprendimento  di  un   sistema  di  conteggio,  abbiamo  applicato  l’approccio  di  DR,  nel  tentativo   di  fornire  ulteriori  evidenze  pro  (o  contro)  quanto  è  stato  proposto  da   alcune  di  queste  ipotesi. L’obiettivo  del  nostro  modello  robotico  sul  contributo  che  giocano   i  counting  gestures  nel  contare  (Rucinski  et  al.  2012;  2013)  era  quello   di  rispondere  a  due  domande:  1)Possono  i  counting  gestures  miglio- rare  la  precisione  nel  contare  se  sono  rappresentati  come  valori  degli   angoli  delle  giunture  delle  braccia  che  cambiano  nel  tempo?  2)  La  cor- rispondenza  spaziale  tra  gli  item  contati  e  l’atto  di  indicarli  durante  il   conteggio,  è  una  caratteristica  importante  dei  counting  gestures?  Una   risposta  alla  prima  domanda  potrebbe  fornire  evidenza  sul  contributo   dei  gestures  nell’apprendere  a  contare  che  vada  oltre  a  quella  già  of- ferta  dagli  studi  psicologici.  Una  risposta  alla  seconda  domanda  offri- rebbe  nuove  intuizioni  riguardanti  la  natura  di  tale  contributo. Il  design  dell’esperimento  con  il  robot  è  stato  basato  sullo  studio   comportamentale di Alibali e DiRusso (1999) sul ruolo dei counting   22

gestures  nei  bambini,  e  utilizzava  le  reti  ricorrenti  di  Elman.  Il  com- pito  di  contare  richiedeva  alla  rete  di  dare  come  output  un  count  list   (one-hot  coding)  che  corrispondeva  al  conteggio  di  una  serie  d’oggetti   mostrati  nello  strato  d’input  visivo,  con  l’opzione  della  presenza  dei   counting   gestures,   in   risposta   ad   uno   stimolo   trigger.   Informazione   propriocettiva   è   stata   simulata   basata   sui   counting   gestures   eseguiti   dall’iCub   (Figura   2).   La   rete   neurale   del   robot   è   stata   addestrata   e   testata   in   diverse   condizioni   sperimentali,   e.g.   contando   con   solo   l’uso   della   visione,   usando   counting   gestures   naturali,   usando   gesti   arti¿ciali ritmici. Alle due domande su descritte si è data una risposta confrontando la performance ¿nale del conteggio (in tutte le diverse condizioni  sperimentali  usate),  valutandola  nello  stesso  modo  in  cui  è   valutata  nei  bambini. I  risultati  degli  esperimenti  di  simulazione  con  il  robot  hanno  di- mostrato  che  quando  alla  rete  è  stata  fornita  l’informazione  propriocet- tiva  riguardante  i  pointing  gestures,  la  sua  precisione  nel  contare  mi- gliorava,  paragonato  al  caso  in  cui  usava  solo  le  informazioni  visive.   Inoltre,  il  miglioramento  non  poteva  essere  attribuito  semplicemente   al  fatto  che  aveva  ricevuto  un  segnale  d’input  in  più,  in  quanto  il  mo- dello aveva mostrato di contare in modo signi¿cativamente peggiore se  fornito  solo  con  l’input  propriocettivo.  Questo  ha  fornito  le  prime   evidenze  fuori  dall’ambito  degli  studi  comportamentali,  sull’utilità  che   i   counting   gestures   hanno   come   embodied   cues   nell’apprendimento   del   processo   di   contare.   In   più,   contrastando   gli   effetti   dei   counting   gestures spazio-temporali naturali con quelli ritmici arti¿ciali è stato rilevato  com’è  importante  che  i  counting  gestures  siano  caratterizzati   da  una  corrispondenza  spaziale  con  gli  item  contati.  Infatti,  nel  caso   dei  counting  gestures  con ritmi arti¿ciali, questi non hanno facilitato l’estrazione   delle   informazioni   dall’input   visivo   da   parte   della   rete   neurale.

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Fig. 2: Simulazione di counting  gestures con l’iCub (a sinistra). Le traiettorie ottenute dagli angoli delle giunture, elaborati ex-post con Principal  Compo- nent  Anaysis, hanno fornito le informazioni fornite alla rete neurale (destra).

Il  collegamento  diretto  che  esiste  fra  il  contare  con  le  dita  e  l’ap- prendimento  dei  numeri  è  un  ulteriore  prova  del  ruolo  che  svolge  la  co- gnizione  embodied  nell’elaborazione  dei  numeri  e  dei  simboli  astratti.   Dati neurocognitivi e psicologi con bambini e adulti dimostrano come le  strategie  di  ¿nger counting  e  le  rappresentazioni  ¿nger-based gio- chino   un   ruolo   importante   nello   sviluppo   delle   capacità   numeriche,   aritmetiche   e   nell’apprendimento   del   lessico   numerico.   Peraltro,   è   stato  dimostrato  che  il  ¿nger counting  in  particolare,  causa  un’acqui- sizione più ef¿cace dei number  words (e.g. Alibali, DiRusso 1999) e inÀuenza l’apprendimento dei concetti matematici (e.g. Moeller et  al.   2011). Abbiamo  usato  il  paradigma  del  DR per esplorare speci¿camente se  il  ¿nger counting e  l’associazione  di  number  words  (o  tags)  a  cia- scun  dito  poteva  facilitare  l’implementazione  di  una  rappresentazione   iniziale  di  numero  nel  robot  cognitivo.  Abbiamo  usato  nuovamente,   una  rete  neurale  ricorrente  per  simulare  l’apprendimento  delle  associa- zioni  tra  il  ¿nger counting  (compito  motorio),  il  conteggio  di  oggetti   (compito  visivo),  e  l’apprendimento  di  number  words  e  di  sequenze   (compito  uditivo).  Abbiamo  messo  a  confronto  diversi  abbinamenti  di   modalità  sensoriali,  e.g.  condizione  Auditory-Only  nella  quale  il  robot   impara  esclusivamente  ad  ascoltare  e  a  ripetere  le  sequenze  di  number   words (“one”, “two”, “three”, “four”…¿no a “ten”), o la condizione Finger+Auditory,  nella  quale  il  robot  impara  simultaneamente  la  se- 24

quenza  acustica  dei  number  words  e  la  sequenza  dei  movimenti  delle   dita (la con¿gurazione usata per il ¿nger counting è  stata  quella  della   Lingua  dei  Segni  Americana  perché  più  compatibile  con  gli  attuatori   del  robot  iCub). I  risultati  ottenuti  nei  vari  esperimenti  di  simulazione  sia  con  la  piat- taforma simulata dell’iCub sia con la versione ¿sica dell’iCub robot, dimostrano  che  l’apprendere  le  sequenze  dei  number  words  insieme   alle  sequenze  dei  movimenti  con  le  dita  aiuta  a  costruire  velocemente   una  rappresentazione  del  numero  iniziale  nel  robot.  Quando  entrambi   i robot (quello virtuale e quello ¿sico) imparano solo le sequenze udi- tive,   la   performance   è   inferiore.   Inoltre,   le   rappresentazioni   interne   della  rete  neurale  per  le  due  condizioni  risultano  in  patterns  qualita- tivamente  diversi  nella  similarità  tra  i  numeri.  Solo  dopo  l’apprendi- mento  della  sequenza  Finger+Auditory  la  rete  riesce  a  rappresentare   la  differenza  tra  i  numeri.  Nei  robot  addestrati  con  Finger+Auditory,   il  cluster  analysis  diagram  delle  attivazioni  dello  strato  nascosto  di- mostra  che  la  rappresentazione  per  il  number  word  “one”  è  adiacente   a  quello  di  “two”  ed  è  sempre  più  distante  dai  numeri  più  alti.  Invece,   nella  condizione  Auditory-Only,  non  c’è  corrispondenza  tra  la  distanza   del  cluster  similarity  diagram  e  la  distanza  numerica. Peraltro,   le   rappresentazioni   interne   della   rete   neurale   delle   con- ¿gurazioni delle dita, sviluppate dal robot dopo gli esperimenti, aiu- tano  l’esecuzione  di  operazioni  aritmetiche  di  base.  Nella  condizione   Finger+Auditory,   i   number   words   sentiti   ripetutamente,   quando   ab- binati   all’esperienza   di   muovere   le   dita,   servono   come   strumenti   da   usare   nella   successiva   manipolazione   delle   quantità   che   rappresen- tano. Infatti, le rappresentazioni delle con¿gurazioni interne emerse dopo  gli  esperimenti,  possono  essere  considerate  come  una  base  per   la  costruzione  di  una  rappresentazione  embodied  di  numero  nel  robot.   Questo  è  in  linea  con  gli  approcci  dell’embodied  o  grounded  cogni- tion  allo  studio  dei  processi  cognitivi  matematici.  Proprio  come  è  stato   trovato  nei  bambini  in  età  precoce,  per  mezzo  del  ¿nger counting  e   delle  strategie  verbali  del  contare,  il  nostro  modello  robotico  impara   l’operazione   aritmetica   dell’addizione.   La   Figura   3   presenta   il   den- dogramma   dopo   l’optimal   leaf   order,   che   dimostra   come   la   rappre- sentazione  interna  delle  dita  sia  più  simile  alla  sequenza  dei  numeri.   I  numeri  che  sono  vicini  nella  sequenza  sono  legati  insieme,  mentre   25

il  raggruppamento  dei  number  words,  imparati  da  soli,  in  o  fuori  se- quenza, è più casuale, avendo un forte impatto sull’ef¿cacia dell’ap- prendimento, come presentato nell’esperimento di classi¿cazione.

Fig. 3: Dendogrammi con l’optimal  leaf-order dell’attivazione delle unità nascoste per l’apprendimento con solo le dita (sinistra), con solo gli stimoli uditivi (centro), e con solo gli stimoli uditivi in sequenza (destra). Si noti come il dendogramma delle unità nascoste delle dita segue la distanza incrementale attesa tra le sequenze numeriche per quasi tutti i dieci numeri.

I  modelli  d’embodied  developmental  robotics,  come  quelli  descritti   sopra,  possono  anche  avere  importanti  implicazioni  nella  ricerca  sulle   strategie  motorie  e  il  ruolo  che  hanno  nell’educazione  della  matematica.   Infatti,  l’utilità  dell’apprendimento  da  parte  dei  bambini  di  strategie  di   ¿nger counting  agli  inizi  della  loro  formazione  matematica,  continua  ad   essere  dibattuta  negli  ambiti  della  ricerca  sulla  didattica  della  matema- tica,  nonostante  le  evidenze  contrarie  provenienti  da  studi  neurocogni- tivi  e  psicologici  (per  una  rassegna  del  dibattito  si  veda  Moeller  et  al.   2011).  Gli  esperimenti  con  il  nostro  robot  dimostrano  come  l’appren- dere  a  contare  con  le  dita,  attribuendogli  tags  verbali,  migliori  le  sue  ca- pacità  numeriche,  come  conseguenza  di  una  migliore  rappresentazione   interna,  strutturata  secondo  patterns  quantitativi.  La  particolare  imple- mentazione  discussa  in  questa  sezione,  nonostante  il  livello  d’astrazione   di  processi  complessi  e  non  ancora  pienamente  compresi  come  quelli   che  stanno  dietro  lo  sviluppo  della  cognizione  numerica  negli  umani,   comunque   fornisce   evidenza   su   fenomeni   teoricamente   trattati   nella   letteratura.  Seguendo  Gelman  e  Galistel  (1978),  i  risultati  ottenuti  di- mostrano  come  il  ¿nger counting stia  possibilmente  giocando  un  ruolo   funzionale  nell’acquisizione  di  una  varietà  di  principi  considerati  neces- sari  perché  i  bambini  comincino  a  comprendere  il  concetto  di  numero. 26

6.  Conclusioni I   modelli   robotici   e   gli   esperimenti   presentati   in   questa   rassegna   hanno utilizzato la piattaforma ¿sica dell’iCub (e.g. gli esperimenti di Morse  sull’apprendimento  delle  prime  parole),  altri  la  piattaforma  di   simulazione   dell’iCub   (e.g.   gli   esperimenti   di   Rucinski   sui   counting   gestures).  In  alcuni  casi,  come  nelle  indagini  sulla  cognizione  numerica   (e.g. modello di De La Cruz e Di Nuovo sul ¿nger counting),  gli  studi   originalmente  basati  sull’utilizzo  del  simulatore  sono  stati  successiva- mente estesi ad esperimenti con il robot ¿sico. Nonostante la scelta della  piattaforma  robotica  versus  quella  dell’agente  robotico  simulato   riguardi  una  varietà  di  vincoli  diversi  (Tikhanoff  et  al.  2011),  il  lavoro   svolto   con   le   due   piattaforme,   ha   dimostrano   il   potenziale   dell’ap- proccio  di  developmental  robotics  di  modellare  una  varietà  di  fenomeni   che  collegano  l’embodiment  alle  capacità  di  manipolazione  simbolica.   Gli   esperimenti   spaziano   dalla   modellazione   di   embodiment   cues,   come  la  postura  e  l’orientamento  nello  spazio,  all’apprendimento  dei   nomi  degli  oggetti,  dalla  relazione  forte  tra  l’esperienza  sensomotoria   e  la  rappresentazione  e  l’apprendimento  delle  parole  d’azione,  inoltre,   impiegano  strategie  embodied,  sfruttando  l’intrinsica  natura  sensomo- toria  dell’agente  robotico,  nell’uso  dei  gesti  nel  contare  oggetti  o  il  col- legamento  delle  sequenze  dei  movimenti  delle  dita  all’atto  di  contare   usando  sequenze  numeriche  anche  verbali,  per  studiare  i  fenomeni  alla   base  dello  sviluppo  della  cognizione  numerica. La  maggioranza  dei  modelli  presentati  nelle  sezioni  precedenti  sono   fortemente  basati  sui  dati  empirici  dello  sviluppo  cognitivo.  Altri,  come   ad  esempio  quelli  che  indagano  i  fenomeni  dietro  l’apprendimento  dei   numeri,  utilizzano  un  approccio  più  elastico  nel  modellare  i  dati  prove- nienti  dalla  psicologia  dell’età  evolutiva,  ma  nonostante  ciò,  sono  forte- mente  ispirati  da  paradigmi  teorici  e  dalle  evidenze  più  generali  emerse   dagli  studi  sullo  sviluppo  dei  bambini.  Anziché  modellare  esperimenti   speci¿ci trovati nella letteratura, questo tipo di lavoro cerca di validare teorie già esistenti e offrire ulteriori spunti non solo di riÀessione, ma anche  per  indagini  future  sia  con  i  robot  sia  con  i  bambini.  Anche  in   questi   casi   e   in   questi   modi,   i   modelli   robotici   cui   discussi   contribu- iscono all’impresa scienti¿ca di comprendere meglio il rapporto tra l’embodiment,  il  lingaggio  e  la  cognizione  numerica  nei  bambini. 27

Acknowledgement I lavori di ricerca qui presentati sono stati ¿nanziati dai se- guenti:  EU  FP7  ICT  Integrating  Projects  “ITALK”,  FP7  ICT  projects   “POETICON++” e “Robot-Era”, Marie Curie ITN “RobotDoc”, e UK EPSRC  project  “BABEL”.  

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