Eine Ratte spielt DOOM

• Es wurde ein vollständiges VR-System für Ratten entwickelt, mit dem echte Ratten den Klassiker DOOM steuern und erkunden können
• Das System besteht aus einer bewegungserfassenden Kugel, einem Panorama-Headset, einem Eingabe-Trigger und einer Belohnungsschaltung; die gesamte Hardware und Software wurde als Open Source veröffentlicht
• Die zweite Version (V2) wurde unter anderem mit präziseren Sensoren, einem AMOLED-Display mit 180° Sichtfeld und modularen 3D-gedruckten Bauteilen verbessert
• Python-basierte Steuerungssoftware verarbeitet in Echtzeit Bewegung, Belohnung und Spielintegration über die Kommunikation zwischen Raspberry Pi und PC
• Die Ratten erkundeten tatsächlich den virtuellen Raum und führten Schussaktionen aus, was neue Möglichkeiten für die Erforschung tierischen Verhaltens und die Entwicklung interaktiver Systeme zeigt

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Projektüberblick

• Es wurde eine maßgeschneiderte VR-Umgebung aufgebaut, damit Ratten DOOM spielen können
  • Komponenten: bewegungserfassende Laufkugel, Panorama-Headset, Eingabe-Trigger, Belohnungsschaltung
  • Alle Teile werden zusammen mit 3D-Druckvorlagen, Schaltplänen, Firmware und Steuerungssoftware als Open Source bereitgestellt
• Die erste Version (V1) wurde in New York entwickelt und erlaubte nur ein einfaches Training zum Laufen durch Korridore; in V2 entwickelte sie sich zu einem vollständig modularen System weiter
• Metallteile wurden in Zusammenarbeit mit SZURWIN KFT entworfen und gefertigt

Vergleich von V1 und V2

• V1
  • Nur grundlegende Kugelstruktur und Training für Vorwärtsbewegung möglich
  • Einfache Sensorik und Mechanik, kein Panoramadisplay
• V2
  • Neuer Kugelantriebsmechanismus für flüssige Bewegungen
  • AMOLED-Display mit 180° horizontalem und 80° vertikalem Sichtfeld
  • Aufgerüstete Sensoren für präzise Bewegungserfassung
  • Verbessertes Belohnungssystem mit integriertem Mischer
  • Modulare 3D-gedruckte Bauteile und verbesserte elektronische Stabilität
• Aufgrund des Alters der Ratten wurde keine vollständige Verhaltensvalidierung durchgeführt, das System selbst funktionierte jedoch ordnungsgemäß

Hardware-Aufbau

• Gesamtstruktur
  • Besteht aus einer kugelförmigen Laufplattform zur Erfassung der Rattenbewegung, einem Trigger zum Schießen, einem Panoramabildschirm und einem Zuckerwasser-Belohnungssystem
  • Alle Geräte sind auf einem modularen Aluminiumrahmen montiert und bilden eine eigenständige Experimentierumgebung
• Visuelle Schnittstelle
  • Faltbares AMOLED-Headset, das den Kopf der Ratte umschließt, ohne den Raum für die Schnurrhaare zu beeinträchtigen
  • Luftdüsen nahe den linken und rechten Schnurrhaaren, um Spielereignisse wie Wandkollisionen zu vermitteln
  • Einschließlich Belohnungs-Ausgaberöhrchen und Steckplatz für einen kleinen Lautsprecher
• Bewegungserkennung
  • Optische Sensoren an der frei rotierenden Kugel verfolgen die Bewegung und wandeln sie in Spielbewegungen um
  • Mit motorgetriebener Funktion kann während des Trainings ein Pfad simuliert werden
• Trigger-Eingabe
  • Hebelartiges Schussgerät, das die Ratte mit den Vorderpfoten zieht, mit Feder und Drehgeber
  • Schrittmotor ermöglicht automatische Demonstrationen und unterstützt damit das Training, das visuelle Reize mit Bewegungen verknüpft
• Belohnungssystem
  • Präzise Abgabe von Zuckerwasser in 10-μL-Einheiten, gesteuert durch Pumpe, Drucksensor und Magnetventil
  • Ein Mischer hält die Konzentration konstant und liefert sofortige, mit Spielereignissen synchronisierte Belohnungen
• Einschränkungen
  • Je nach Größe oder Temperament der Ratte müssen Trigger-Position und Belohnungsfluss angepasst werden

Software-Architektur

• Python-basiertes modulares Steuerungssystem verwaltet den gesamten Regelkreis
  • Hauptfunktionen: Bewegungserfassung, Kugelsteuerung, Trigger-Erkennung, Belohnungsverteilung, DOOM-Integration, Trainingslogik
  • Mit der ViZDoom-Umgebung gekoppelt, um eine Echtzeit-Steuerung des Verhaltens im geschlossenen Regelkreis auszuführen
• TCP-Kommunikation zwischen PC und Raspberry Pi
  • Pi: Sensorablesung, Kugelantrieb, Belohnungssteuerung
  • PC: Spielausführung, Datenverarbeitung, Senden von High-Level-Befehlen
• Alle Komponenten können im manuellen oder automatischen Modus betrieben werden; die Parameter werden im Python-Code festgelegt
• Einschränkungen
  • Es gibt keine automatische Kalibrierung, daher müssen Sensorausrichtung und Belohnungs-Timing manuell überprüft werden
  • Einige Mikrocontroller-Firmware muss abhängig von Hardwareabweichungen angepasst werden

Versuchsergebnisse

• Die Ratten konnten die virtuelle Umgebung erkunden und den Schuss-Trigger betätigen
  • Pro Tier war eine Eingewöhnungszeit von etwa 2 Wochen erforderlich
  • Vollständiges fortgeschrittenes Training ist noch nicht abgeschlossen, aber bei Systembeteiligung und Reaktionsfähigkeit wurden positive Ergebnisse bestätigt
• Einschränkungen
  • Es fehlen Untersuchungen zu Langzeittraining und Variabilität zwischen Individuen
  • Die Auswirkungen der VR-Exposition auf die Gesundheit der Ratten erfordern weitere Forschung

Nächste Schritte

• Ein Rat VR Build Guide ist in Arbeit, und interessierten Forschenden oder Makerinnen und Makern wird Unterstützung beim Aufbau angeboten
• YoloRun.Capital investiert in solche kreativen und experimentellen Projekte
• Neue Ideenvorschläge sind willkommen

Team

• Viktor Tóth – verantwortlich für das Training der Ratten
• Sándor Makra – Elektronikdesign
• Ákos Blaschek – verantwortlich für Dokumentation und Open-Source-Bereitstellung

[roxie]

Ich frage mich, ob das unter dem Gesichtspunkt der Ethik von Tierversuchen in Ordnung ist. In den Hacker-News-Kommentaren hat auch jemand darauf hingewiesen.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Ich mag dieses Projekt wirklich sehr.
  Schade ist nur, dass alle Komponenten ausschließlich als STL-Dateien veröffentlicht wurden. Wenn zusätzlich parametrische Modelle oder Quelldateien bereitgestellt würden, wäre iteratives Design sehr viel schneller möglich. Wenn man zum Beispiel statt mit Ratten mit Katzen oder anderen Tieren experimentieren wollte, würde einfaches Skalieren nicht ausreichen, und man müsste alles von Grund auf neu bauen.
  Außerdem wäre es gut, dem BOM (Stückliste) eine Kostenschätzung hinzuzufügen. Sie muss nicht exakt sein, aber so könnte man das Projektbudget schnell abschätzen und auch Einsparpotenziale leichter finden.
  Zum Schluss würde mich noch interessieren, ob die Ratten Doom mochten oder ob ihnen andere Spiele besser gefielen. Solche Fragen könnten helfen, die Persönlichkeit und Vorlieben der Tiere besser zu verstehen. Danke, dass ihr das als Open Source veröffentlicht habt, und ich freue mich auf die weitere Entwicklung.
  • Da ich lange an mehreren Versionen gearbeitet habe, wollte ich es erst einmal schnell veröffentlichen. Dass ich es ohne parametrische Quellen hochgeladen habe, war ein Fehler, und ich werde bald Quellen und Preisinformationen zusammen hochladen.
    Für Tiere, die kleiner als Ratten sind, etwa Mäuse, müsste man die gesamte Ausrüstung neu entwerfen, und für Katzen bräuchte man einen größeren Ball und schwächere Federn. Ein VR-Setup für Katzen möchte ich irgendwann auf jeden Fall auch bauen.
    In diesem Experiment haben die Ratten Doom noch nicht wirklich gespielt, sondern waren nur in der Phase, sich an die Umgebung zu gewöhnen. In einem früheren Setup verstanden sie den Zusammenhang zwischen Belohnung und Verhalten und waren wirklich stark eingebunden.
    Spiele, die Ratten mögen, wirken aus der Ego-Perspektive wahrscheinlich natürlich. Danke für das Feedback, und hoffentlich wird VR für Haustiere eines Tages Realität.
  • Zur Info: Katzen mögen Fruit Ninja
• 2032 bricht der „Rodrone-Krieg“ aus. Nachdem die Ratten 2026 Doom perfekt spielen konnten, tauchten 2028 von Nagern gesteuerte Überwachungsdrohnen auf und wurden 2030 bewaffnet.
  Die Ratten, die sich schneller entwickelten als die Menschen, bauten schließlich Roboter namens Rodot und überwältigten die Menschheit. Noch bevor die Menschen Verteidigungsmaßnahmen vorbereiten konnten, wurde der Aufstand der Ratten Realität.
  • Anschließend wird berichtet, dass Pets.com durch einen Deal mit den Oracle-Insolvenzverwaltern 8 Millionen Quadratfuß Rechenzentrum mit Hamsterrädern übernommen habe und auf einen IPO über 400 Milliarden Dollar ziele.
  • Zur Info: Schon im Zweiten Weltkrieg gab es das taubengesteuerte Bombenprojekt (Project Pigeon). Wikipedia-Link
• Wenn ich als eine Art Cousin der Ratte dieses System benutzen müsste, würde mich eine Verzögerung von 0,5 Sekunden zwischen Auslösung und Reaktion so frustrieren, dass ich mir die Schnurrhaare abkauen würde.
  Solche Latenz erzeugt statt Lernbelohnung nur Frustration und sollte unbedingt behoben werden.
  • Stimmt. Je schneller die Belohnung kommt, desto reibungsloser läuft das Lernen. Lernen im Gehirn passiert zwar auf mehreren Zeitskalen, aber unmittelbares Feedback innerhalb von 300 ms ist am effektivsten.
  • Aber auch verzögerte Belohnung zu verstehen und anzunehmen ist eine wichtige Eigenschaft von Intelligenz. Letztlich hat sich das Gehirn dahin entwickelt, gerade dieses verzögerte Vergnügen zu erlernen.
• Den Versuchsnotizen zufolge hatten sich die Ratten zwar an die VR-Umgebung gewöhnt, aber mit dem eigentlichen Training konnte nicht begonnen werden, und wegen ihres Alters wurde es eingestellt.
  Eine wirklich coole VR-Liga, daher ist es schade, dass dieses Projekt nicht weitergeführt wird.
  • Wenn man es schon so weit gebaut hat, wirkt es kaum vorstellbar, einfach aufzuhören. Vielleicht wartet er darauf, dass andere von den langsamen Fortschritten frustriert werden und es selbst versuchen. Dann wird er wohl mit einer hochtrainierten Ratteneinheit zum Duell antreten.
• 2034, nachdem alle Versuche gescheitert waren, das menschliche Gehirn nachzuahmen, blieb nur noch eine letzte Option — „Bringt die Ratten“
  • Douglas Adams hätte wohl gesagt, dass die Ratten uns längst darauf trainiert haben, Doom zu spielen.
  • Endlich hat es jemand verstanden.
• Ich verstehe nicht, dass es kein Funktionsvideo gibt.
  • Hier ist ein Video: YouTube-Link
  • Heutzutage ist es unter Ingenieuren viel zu verbreitet, keine visuellen Ergebnisse zu teilen. Selbst bei visuell geprägten Projekten wie Robotern oder GUI-Apps wird nur ein GitHub-Link gepostet, aber kein Video.
  • Im Ergebnisabschnitt sollte eigentlich ein Bild sein, aber der Link zu „placeholder_rat_playing.png“ liefert einen 404-Fehler.
• Wirklich ein tolles Projekt. Ich frage mich, ob man damit Eichhörnchen trainieren könnte, nicht von Autos überfahren zu werden.
  • Vielleicht wäre es einfacher, wenn die Fahrer lernen würden, langsamer zu fahren und besser aufzupassen.
  • Eigentlich wäre es wohl wirtschaftlicher, zu verhindern, dass Rehe von Autos erfasst werden.
• Als id Software Doom veröffentlichte, hätten sie wohl nicht gedacht, dass 30 Jahre später Ratten dieses Spiel für eine Zuckerwasser-Belohnung spielen würden.
  • Sie hätten es vielleicht nicht gewusst, aber sie hätten sich sicherlich kaputtgelacht.
• Ich bin gegen dieses Projekt. Tiere für Experimente zu verwenden, lässt sich aus keinem Grund ethisch rechtfertigen.
  Wenn die Tiere freiwillig teilnehmen könnten, wäre das etwas anderes, aber wenn nicht, schränkt das ihre Freiheit ein und kann psychische wie physische Schäden verursachen.
  Als jemand, der Tierrechte unterstützt, halte ich alternative Experimente oder Formen freiwilliger Teilnahme für deutlich wünschenswerter.
  • Stimme zu. Trotzdem ist es im Vergleich zur Grausamkeit der meisten Tierversuche noch deutlich besser. In vielen Experimenten leiden die Tiere extreme Schmerzen und werden am Ende getötet.
  • Erst fand ich die Kritik übertrieben, aber nachdem ich das tatsächliche Setup gesehen habe, kann ich es nachvollziehen. Der Anblick eines Lebewesens, das an Trackball und VR-Headset gebunden ist, wirkt instinktiv verstörend.
• Es gibt ähnliche Forschung, nach der Schweine Videospiele mit der Schnauze steuern können.
  BBC-Artikel-Link