在部分可观察域中的预测和规划的常见方法是使用经常性的神经网络（RNN），其理想地开发和维持关于隐藏，任务相关因素的潜伏。我们假设物理世界中的许多这些隐藏因素随着时间的推移是恒定的，而只是稀疏变化。为研究这一假设，我们提出了Gated $ L_0 $正规化的动态（Gatel0rd），一种新的经常性架构，它包含归纳偏差，以保持稳定，疏口改变潜伏状态。通过新颖的内部门控功能和潜在状态变化的$ l_0 $ norm的惩罚来实现偏差。我们证明Gatel0rd可以在各种部分可观察到的预测和控制任务中与最先进的RNN竞争或优于最先进的RNN。 Gatel0rd倾向于编码环境的基础生成因子，忽略了虚假的时间依赖性，并概括了更好的，提高了基于模型的规划和加强学习任务中的采样效率和整体性能。此外，我们表明可以容易地解释开发的潜在状态，这是朝着RNN中更好地解释的步骤。

人类可以在各种时间尺度和层次级别上做出预测。因此，对事件编码的学习似乎起着至关重要的作用。在这项工作中，我们通过自主学习的潜在事件代码对层次预测的开发进行建模。我们提出了分层复发性神经网络结构，其诱导学习偏见促进了压缩感觉运动序列的稀疏潜在状态的发展。更高级别的网络学会了预测潜在国家倾向于改变的情况。使用模拟机器人操纵器，我们证明系统（i）学习了准确反映数据事件结构的潜在状态，（ii）在较高级别上开发有意义的时间抽象预测，（iii）生成了靶心，相似的行为在与婴儿的眼神追踪研究中发现的凝视行为。该体系结构为自主学习收集的经验的压缩层次编码以及对这些编码产生适应性行为的开发提供了一步。

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

我们研究了复杂几何物体的机器人堆叠问题。我们提出了一个挑战和多样化的这些物体，这些物体被精心设计，以便要求超出简单的“拾取”解决方案之外的策略。我们的方法是加强学习（RL）方法与基于视觉的互动政策蒸馏和模拟到现实转移相结合。我们的学习政策可以有效地处理现实世界中的多个对象组合，并展示各种各样的堆叠技能。在一个大型的实验研究中，我们调查在模拟中学习这种基于视觉的基于视觉的代理的选择，以及对真实机器人的最佳转移产生了什么影响。然后，我们利用这些策略收集的数据并通过离线RL改善它们。我们工作的视频和博客文章作为补充材料提供。

人类通常通过将它们分解为更容易的子问题，然后结合子问题解决方案来解决复杂的问题。这种类型的组成推理允许在解决共享一部分基础构图结构的未来任务时重复使用子问题解决方案。在持续或终身的强化学习（RL）设置中，将知识分解为可重复使用的组件的能力将使代理通过利用积累的组成结构来快速学习新的RL任务。我们基于神经模块探索一种特定形式的组成形式，并提出了一组RL问题，可以直观地接受组成溶液。从经验上讲，我们证明了神经组成确实捕获了问题空间的基本结构。我们进一步提出了一种构图终身RL方法，该方法利用累积的神经成分来加速学习未来任务的学习，同时通过离线RL通过离线RL保留以前的RL，而不是重播经验。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

机器人和与世界相互作用或互动的机器人和智能系统越来越多地被用来自动化各种任务。这些系统完成这些任务的能力取决于构成机器人物理及其传感器物体的机械和电气部件，例如，感知算法感知环境，并计划和控制算法以生产和控制算法来生产和控制算法有意义的行动。因此，通常有必要在设计具体系统时考虑这些组件之间的相互作用。本文探讨了以端到端方式对机器人系统进行任务驱动的合作的工作，同时使用推理或控制算法直接优化了系统的物理组件以进行任务性能。我们首先考虑直接优化基于信标的本地化系统以达到本地化准确性的问题。设计这样的系统涉及将信标放置在整个环境中，并通过传感器读数推断位置。在我们的工作中，我们开发了一种深度学习方法，以直接优化信标的放置和位置推断以达到本地化精度。然后，我们将注意力转移到了由任务驱动的机器人及其控制器优化的相关问题上。在我们的工作中，我们首先提出基于多任务增强学习的数据有效算法。我们的方法通过利用能够在物理设计的空间上概括设计条件的控制器，有效地直接优化了物理设计和控制参数，以直接优化任务性能。然后，我们对此进行跟进，以允许对离散形态参数（例如四肢的数字和配置）进行优化。最后，我们通过探索优化的软机器人的制造和部署来得出结论。

许多增强学习（RL）环境包括独立实体，这些实体稀疏地互动。在这种环境中，RL代理商在任何特定情况下对其他实体的影响仅受限。我们在这项工作中的想法是，通过了解代理人可以通过其行动的何时以及何时何地效力，可以有效地指导。为实现这一目标，我们根据条件互信息介绍\ emph {情况依赖性因果影响}，并表明它可以可靠地检测影响的态度。然后，我们提出了几种方法将这种措施集成到RL算法中，以改善探索和禁止政策学习。所有修改的算法都显示出机器人操纵任务的数据效率强劲增加。

灵活的目标指导行为是人类生活的一个基本方面。基于自由能最小化原理，主动推断理论从计算神经科学的角度正式产生了这种行为。基于该理论，我们介绍了一个输出型，时间预测的，模块化的人工神经网络体系结构，该建筑处理感觉运动信息，渗透到世界上与行为相关的方面，并引起高度灵活的，目标定向的行为。我们表明，我们的建筑经过端对端训练，以最大程度地减少自由能的近似值，它会发展出可以将其解释为负担能力地图的潜在状态。也就是说，新兴的潜在状态表明哪种行动导致哪些效果取决于局部环境。结合主动推断，我们表明可以调用灵活的目标指导行为，并结合新兴的负担能力图。结果，我们的模拟代理会在连续的空间中灵活地转向，避免与障碍物发生碰撞，并且更喜欢高确定性地导致目标的途径。此外，我们表明，学识渊博的代理非常适合跨环境的零拍概括：在训练少数固定环境中的代理商在具有障碍和其他影响其行为的固定环境中，它在程序生成的环境中表现出色，其中包含不同量的环境不同位置的各种尺寸的障碍和地形。

Advances in reinforcement learning (RL) often rely on massive compute resources and remain notoriously sample inefficient. In contrast, the human brain is able to efficiently learn effective control strategies using limited resources. This raises the question whether insights from neuroscience can be used to improve current RL methods. Predictive processing is a popular theoretical framework which maintains that the human brain is actively seeking to minimize surprise. We show that recurrent neural networks which predict their own sensory states can be leveraged to minimise surprise, yielding substantial gains in cumulative reward. Specifically, we present the Predictive Processing Proximal Policy Optimization (P4O) agent; an actor-critic reinforcement learning agent that applies predictive processing to a recurrent variant of the PPO algorithm by integrating a world model in its hidden state. P4O significantly outperforms a baseline recurrent variant of the PPO algorithm on multiple Atari games using a single GPU. It also outperforms other state-of-the-art agents given the same wall-clock time and exceeds human gamer performance on multiple games including Seaquest, which is a particularly challenging environment in the Atari domain. Altogether, our work underscores how insights from the field of neuroscience may support the development of more capable and efficient artificial agents.

Adequately assigning credit to actions for future outcomes based on their contributions is a long-standing open challenge in Reinforcement Learning. The assumptions of the most commonly used credit assignment method are disadvantageous in tasks where the effects of decisions are not immediately evident. Furthermore, this method can only evaluate actions that have been selected by the agent, making it highly inefficient. Still, no alternative methods have been widely adopted in the field. Hindsight Credit Assignment is a promising, but still unexplored candidate, which aims to solve the problems of both long-term and counterfactual credit assignment. In this thesis, we empirically investigate Hindsight Credit Assignment to identify its main benefits, and key points to improve. Then, we apply it to factored state representations, and in particular to state representations based on the causal structure of the environment. In this setting, we propose a variant of Hindsight Credit Assignment that effectively exploits a given causal structure. We show that our modification greatly decreases the workload of Hindsight Credit Assignment, making it more efficient and enabling it to outperform the baseline credit assignment method on various tasks. This opens the way to other methods based on given or learned causal structures.

Real-world reinforcement learning tasks often involve some form of partial observability where the observations only give a partial or noisy view of the true state of the world. Such tasks typically require some form of memory, where the agent has access to multiple past observations, in order to perform well. One popular way to incorporate memory is by using a recurrent neural network to access the agent's history. However, recurrent neural networks in reinforcement learning are often fragile and difficult to train, susceptible to catastrophic forgetting and sometimes fail completely as a result. In this work, we propose Deep Transformer Q-Networks (DTQN), a novel architecture utilizing transformers and self-attention to encode an agent's history. DTQN is designed modularly, and we compare results against several modifications to our base model. Our experiments demonstrate the transformer can solve partially observable tasks faster and more stably than previous recurrent approaches.

Planning has been very successful for control tasks with known environment dynamics. To leverage planning in unknown environments, the agent needs to learn the dynamics from interactions with the world. However, learning dynamics models that are accurate enough for planning has been a long-standing challenge, especially in image-based domains. We propose the Deep Planning Network (PlaNet), a purely model-based agent that learns the environment dynamics from images and chooses actions through fast online planning in latent space. To achieve high performance, the dynamics model must accurately predict the rewards ahead for multiple time steps. We approach this using a latent dynamics model with both deterministic and stochastic transition components. Moreover, we propose a multi-step variational inference objective that we name latent overshooting. Using only pixel observations, our agent solves continuous control tasks with contact dynamics, partial observability, and sparse rewards, which exceed the difficulty of tasks that were previously solved by planning with learned models. PlaNet uses substantially fewer episodes and reaches final performance close to and sometimes higher than strong model-free algorithms.

Deep reinforcement learning is poised to revolutionise the field of AI and represents a step towards building autonomous systems with a higher level understanding of the visual world. Currently, deep learning is enabling reinforcement learning to scale to problems that were previously intractable, such as learning to play video games directly from pixels. Deep reinforcement learning algorithms are also applied to robotics, allowing control policies for robots to be learned directly from camera inputs in the real world. In this survey, we begin with an introduction to the general field of reinforcement learning, then progress to the main streams of value-based and policybased methods. Our survey will cover central algorithms in deep reinforcement learning, including the deep Q-network, trust region policy optimisation, and asynchronous advantage actor-critic. In parallel, we highlight the unique advantages of deep neural networks, focusing on visual understanding via reinforcement learning. To conclude, we describe several current areas of research within the field.

机器人系统的控制设计很复杂，通常需要解决优化才能准确遵循轨迹。在线优化方法（例如模型预测性控制（MPC））已被证明可以实现出色的跟踪性能，但需要高计算能力。相反，基于学习的离线优化方法，例如加固学习（RL），可以在机器人上快速有效地执行，但几乎不匹配MPC在轨迹跟踪任务中的准确性。在具有有限计算的系统（例如航空车）中，必须在执行时间有效的精确控制器。我们提出了一种分析策略梯度（APG）方法来解决此问题。 APG通过在跟踪误差上以梯度下降的速度训练控制器来利用可区分的模拟器的可用性。我们解决了通过课程学习和实验经常在广泛使用的控制基准，Cartpole和两个常见的空中机器人，一个四极管和固定翼无人机上进行的训练不稳定性。在跟踪误差方面，我们提出的方法优于基于模型和无模型的RL方法。同时，它达到与MPC相似的性能，同时需要少于数量级的计算时间。我们的工作为APG作为机器人技术的有前途的控制方法提供了见解。为了促进对APG的探索，我们开放代码并在https://github.com/lis-epfl/apg_traightory_tracking上提供。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。

强化学习是机器人抓握的一种有前途的方法，因为它可以在困难的情况下学习有效的掌握和掌握政策。但是，由于问题的高维度，用精致的机器人手来实现类似人类的操纵能力是具有挑战性的。尽管可以采用奖励成型或专家示范等补救措施来克服这个问题，但它们通常导致过分简化和有偏见的政策。我们介绍了Dext-Gen，这是一种在稀疏奖励环境中灵巧抓握的强化学习框架，适用于各种抓手，并学习无偏见和复杂的政策。通过平滑方向表示实现了抓地力和物体的完全方向控制。我们的方法具有合理的培训时间，并提供了包括所需先验知识的选项。模拟实验证明了框架对不同方案的有效性和适应性。

我们提出了一个端到端，基于模型的深度加强学习代理，它在规划期间动态地参加其国家的相关部分。代理使用基于集的表示的瓶颈机制，以强制代理参加每个规划步骤的实体数量。在实验中，我们研究了具有不同挑战的几套定制环境的瓶颈机制。我们始终如一地观察到该设计允许规划代理通过参加相关对象来概括其在兼容的看不见环境中的学习任务解决能力，从而导致更好的分发概括性表现。

AI的一个关键挑战是构建体现的系统，该系统在动态变化的环境中运行。此类系统必须适应更改任务上下文并持续学习。虽然标准的深度学习系统实现了最先进的静态基准的结果，但它们通常在动态方案中挣扎。在这些设置中，来自多个上下文的错误信号可能会彼此干扰，最终导致称为灾难性遗忘的现象。在本文中，我们将生物学启发的架构调查为对这些问题的解决方案。具体而言，我们表明树突和局部抑制系统的生物物理特性使网络能够以特定于上下文的方式动态限制和路由信息。我们的主要贡献如下。首先，我们提出了一种新颖的人工神经网络架构，该架构将活跃的枝形和稀疏表示融入了标准的深度学习框架中。接下来，我们在需要任务的适应性的两个单独的基准上研究这种架构的性能：Meta-World，一个机器人代理必须学习同时解决各种操纵任务的多任务强化学习环境;和一个持续的学习基准，其中模型的预测任务在整个训练中都会发生变化。对两个基准的分析演示了重叠但不同和稀疏的子网的出现，允许系统流动地使用最小的遗忘。我们的神经实现标志在单一架构上第一次在多任务和持续学习设置上取得了竞争力。我们的研究揭示了神经元的生物学特性如何通知深度学习系统，以解决通常不可能对传统ANN来解决的动态情景。