REPRODUÇÃO E HERANÇA FILOGENÉTICA EM CRIATURAS ARTIFICIAIS DOTADAS DE SISTEMA NERVOSO JAHINA FAGUNDES DE ASSIS

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática e Computacional REPRODUÇÃO E HERANÇA FILOGENÉTICA EM CRIATURAS ARTIFICIAIS DOTADAS DE SISTEMA NERVOSO JAHINA FAGUNDES DE ASSIS Orientador: Prof. Dr. Henrique Elias Borges CEFET-MG Belo Horizonte Dezembro de 2013

2 JAHINA FAGUNDES DE ASSIS REPRODUÇÃO E HERANÇA FILOGENÉTICA EM CRIATURAS ARTIFICIAIS DOTADAS DE SISTEMA NERVOSO Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Modelagem Matemática e Computacional do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Modelagem Matemática e Computacional. Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFET-MG Laboratório de Sistemas Inteligentes Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática e Computacional Orientador: Prof. Dr. Henrique Elias Borges CEFET-MG Belo Horizonte Dezembro de 2013

3 Folha de aprovação do projeto. Esta folha será fornecida pelo Programa de Pós-Graduação e deverá substituir esta.

4 "A verdadeira viagem de descobrimento não consiste em procurar novas paisagens, mas em ter novos olhos. Marcel Proust

5 Dedico este trabalho a minha amada mãe Maria do Carmo pelo amor, incentivo e pelas palavaras motivadoras de sempre. Ao meu pai, aonde quer que você esteja este trabalho é pra você, você estará sempre em meu coração, saudades eternas. Ao meu amado noivo Cássio, por todo a paciêcia, motivação, dedicação e amor.

6 Agradecimentos À Deus pela saúde, proteção, paz, força e luz. Ao meu orientador Dr. Henrique Elias Borges por me mostrar como fazer pesquisa com rigor, por me confiar este projeto e pelas palavras de incentivo. À minha mãe por ser um exemplo de mulher, pela garra e pelos ensinamentos que me fizeram ser o ser humano que sou. Ao meu noivo Cássio, pela paciência da espera, amor, amizade, companheirismo, por me incentivar e ajudar em todos os aspectos. À minha irmã Thayana pelas palavras incentivadoras. Aos meus tios Joaquim e Shirley e ao meu primo Rafael por me proporcionarem um LAR em Belo Horizonte. Ao meu irmão de coração Felipe Duarte dos Reis, por tornar este trabalho possível. Obrigada por todos os dias que esteve ao me lado e por ser essencial nesses anos de mestrado. Aos componentes do projeto Artífice em especial ao Rafael Avelar por me ajudar a começar este trabalho de pesquisa e a Prof a Luciana Campos por estar sempre disponível a qualquer chamado. Aos meus amigos do LSI, em especial ao Prof o Rogério Gomes por me fazer rir nos momentos mais difíceis. Aos amigos do Mestrado em Modelagem Matemática e Computacional, em especial a Lillia, Luiz Otávio, Solange, Gustavo Zeferino, Henrique Costa, Zé Mauricio, Silvia, Juliana, Saulo, Denise e Carol. Ao CEFET-MG pelo apoio financeiro e estrutural para este projeto de pesquisa.

7 Resumo O projeto Artífice, desenvolvido no Laboratório de Sistemas Inteligentes (LSI) do CEFET-MG, visa à modelagem e desenvolvimento de uma arquitetura flexível para a criação de linhagens de criaturas artificiais. Tais criaturas artificiais são dotadas de um modelo funcional completo de um sistema nervoso, modelado desde um ponto de vista neurobiológico, e tendo como base as teorias de cognição incorporada. Uma das dificuldades na área de construção e evolução de linhagens de criaturas artificiais diz respeito à modelagem de um mecanismo de reprodução sexuada dessas criaturas. Neste contexto, o presente trabalho modelou o fenômeno da reprodução em criaturas naturais e, implementou este mecanismo para a reprodução das criaturas artificiais. Outro resultado importante presente neste trabalho é a apresentação da reorganização da arquitetura Artífice viabilizando a inserção de um grande número de criaturas sem perder a plausibilidade do projeto. Como resultado deste trabalho, as criaturas artificiais criadas, se reproduzem de modo sexuado, repassando, ao longo de gerações, de pais para filhos uma parte de sua memória, possibilitando assim que as criaturas ao nascerem herdem traços que contribuam para a sua adaptação no mundo. Para a comprovação do correto funcionamento do mecanismo de reprodução e filogenia foram realizados experimentos computacionais. Assim, foi possível concluir que os descendentes são mais eficientes que seus pais, geração após geração, para localizar comida, navegar até ela e comê-la. PALAVRAS-CHAVE: reprodução, reprodução sexuada, instinto, criaturas artificiais

8 Abstract Developed at the Intelligent Systems Laboratory (LSI) of CEFET-MG, The Artífice Project aims at modeling and development of a flexible architecture for creating strains of artificial creatures. These artificial creatures are endowed with a complete nervous system working model, developed from a neurobiological point of view and based on the theories of embodied cognition. One of the difficulties in the construction and evolution of strains of Artificial Creatures concerns the modeling of their sexual reproduction mechanism. In this context, this study modeled the phenomenon of reproduction in natural creatures, and implemented this mechanism for the reproduction of artificial creatures. Another important result of this study is to present this the reorganization of Artífice architecture, enabling the insertion a large number of creatures without losing the plausibility of the project. As a result of this work, created artificial creatures reproduce the gendered mode, transferring, over generations, from parents to children a part of your memory, allowing so the creatures born to inherit traits that contribute to their adaptation in the world. To verify the correct operation of the reproduction mechanism and phylogeny there were performed computational experiments. Thus, it was concluded that descedentes are more efficient than their parents, generation after generation, to find the meal, navigate to it, and eat it. KEYWORDS: reproduction, sexual reproduction, instinct, artificial creatures

9 Lista de Figuras Figura 1 Sistemas cognitivo e não-cognitivo da criatura artificial Figura 2 Diagrama em blocos do atual modelo da arquitetura Artífice artificial Figura 3 Fases da reprodução celular por mitose Figura 4 Primeira fase da reprodução por meiose Figura 5 Segunda fase da reprodução por meiose Figura 6 Modelo de produção de uma criatura artifical por replicação Figura 7 Modelo de produção de uma linhagem de criaturas artificais historicamente independentes 13 Figura 8 Modelo de eprodução por cópia de criaturas artificais com dependência histórica de seus ancestrais Figura 9 Modelo de reprodução por particionamento de criaturas artificais Figura 10 Modelo de reprodução por junção de criaturas artificais Figura 11 Exemplo de Norns, organismos artificiais pertencentes ao projeto Creature Figura 12 Simulação com a plataforma Tierra Figura 13 Simulação com a plataforma Avida Figura 14 Interface gráfica 3D Figura 15 Reprodução assexuada dos organismos do projeto Evolve Figura 16 Simulação realizada através da plataforma Darwinbots Figura 17 Uma visão geral da EcoSim, uma simulação de evolução do ecossistema predador-presa. 21 Figura 18 Criatura do programa Evolução Virtual Criatura 3D Figura 19 Exemplo de criatura pertencente ao projeto Framsticks Figura 20 Diagrama de distribuição de processamento da versão 1.4 da arquitetura Artífice Figura 21 Interface gráfica da simulação, desenvolvida em Slick 2D Figura 22 Diagrama de bloco da versão 1.4 da arquitetura, com a reprodução já incorporada ao bloco do sistema somático Figura 23 Diagrama de classes do sistema reprodutor das criaturas artificiais em relação ao gênero. 28 Figura 24 Nível de fertilidade da criatura artificial do gênero masculino ao longo do tempo Figura 25 Nível de fertilidade da criatura artificial do gênero feminino ao longo do tempo Figura 26 Cadeia de estímulos internos gerada em resposta à olfação de um feromônio no ambiente, por uma criatura macho Figura 27 Condicionamento clássico para o objeto pedra Figura 28 Condicionamento clássico para o objeto pedra, na versão atual da arquitetura Figura 29 Condicionamento clássico para o objeto maçã verde Figura 30 Condicionamento clássico para o objeto maçã verde, na versão atual da arquitetura.. 36 Figura 31 Condicionamento clássico para o objeto maçã vermelha Figura 32 Condicionamento clássico para o objeto maçã vermelha, na versão atual da arquitetura. 36 Figura 33 Tempo médio para a criatura artificial encontrar e comer maçãs para 3 níveis iniciais distintos de condicionamento operante Figura 34 Tempo médio para a criatura artificial encontrar e comer maçãs para 3 níveis iniciais distintos de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura Figura 35 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 33 com condicionamento inicial baixo Figura 36 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 34 com condicionamento inicial baixo

10 Figura 37 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 33 com condicionamento inicial médio Figura 38 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 34 com condicionamento inicial médio Figura 39 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 33 com condicionamento inicial alto Figura 40 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 34 com condicionamento inicial alto Figura 41 Tempo médio para um nível baixo de condicionamento operante para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 42 Tempo médio para um nível baixo de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 43 Tempo médio para um nível médio de condicionamento operante para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 44 Tempo médio para um nível médio de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 45 Tempo médio para um nível alto de condicionamento operante para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 46 Tempo médio para um nível alto de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 47 Tempo médio para a criatura artificial com memória interagir com os objetos Figura 48 Tempo de vida médio para as criaturas artificiais de cada geração Figura 49 Tempo médio para as criaturas artificiais da i-nésima geração encontrem e comam nutrientes Figura 50 Tempo médio para a criatura artificial com memória interagir com os objetos Figura 51 Aba destinada ao login e senha para iniciar as configurações Figura 52 Aba destinada à instanciação de uma simulação, por meio da qual se pode criar uma nova simulação e descrevê-la Figura 53 Aba destinada à configuração e alocação de objetos no do mundo artificial Figura 54 Aba destinada à configuração das criaturas artificais e seu possicionamento no mundo artificial Figura 55 Aba destinada à execução da simulação e, se preciso, salvar a configuração realizada anteriormente Figura 56 Aba responsável pelo monitoramento da simulação em curso, por meio da qual é possivel visualizar todos os objetos da simulação Figura 57 Aba reponsável pela exibição das criaturas pertencentes a simulação Figura 58 Aba reponsável pelos gráficos da dinâmica interna Figura 59 Aba para exibição em tempo real de gráficos do condicionamento clássico para cada componente Figura 60 Aba para exibição em tempo real de gráficos do condicionamento operante para cada componente

11 Lista de Tabelas Tabela 1 Mescla dos dois programas genéticos durante a reprodução sexuada Tabela 2 Affordances consideradas na aplicação Tabela 3 Nível de condicionamento operante inicial para os experimentos Tabela 4 Dados quatitativos referentes aos descendentes relativo aos experimentos com a reprodução Tabela 5 Genealogia das criaturas artificiais para cada uma das execuções do experimento

12 Sumário 1 Introdução Breve histórico da arquitetura Artífice Escopo do trabalho e objetivos Estrutura da dissertação Sobre a reprodução de organismos Aspectos biológicos da reprodução Reprodução assexuada Reprodução sexuada O instinto da reprodução Estimulação desencadeante para a reprodução Etapas de um processo reprodutivo Reprodução e hereditariedade na perspectiva da biologia do conhecer Alguns aspectos da modelagem da reprodução Geração de criaturas artificiais por produção Geração de criaturas artificiais por meio de reprodução por cópia Geração de criaturas artificiais por meio da reprodução por particionamento Geração de criaturas artificiais por meio de reprodução por junção Trabalhos correlatos Creatures Tierra Avida Evolve Darwinbots Ecosim Evolved Virtual Creatures Framsticks Considerações Finais Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais Adaptações preliminares na arquitetura Artífice A interface de controle da simulação A interface gráfica da simulação Persistência de dados da simulação O "core" da arquitetura Artífice Sobre a modelagem e implementação dos gêneros e do sistema reprodutor Particularidade da reprodução sexuada A dinâmica associada à reprodução Etapa de Aproximação Etapa de cópula Etapa de fecundação Etapa de gestação e nascimento A resposta instintiva

13 4 Experimentos Computacionais Experimentos computacionais preliminares Experimentos envolvendo condicionamento clássico Experimentos envolvendo condicionamento operante Condicionamento operante com memória de longo prazo Experimentos Reprodução Considerais Finais Conclusão Principais contribuições deste trabalho Perspectivas de trabalhos futuros Considerações finais Referências APÊNDICE A Telas da interface de controle

14 1 1 Introdução Fundamental para o ciclo vital de todo organismo vivo, a reprodução é a função pela qual os seres vivos produzem descendentes, possibilitando assim a perpetuação da espécie. Os métodos de reprodução se dividem em dois grandes grupos: reprodução assexuada e reprodução sexuada. Ao se propor incorporar tal fenômeno numa criatura artificial, deve-se levar em conta o seu nível de complexidade e, consequentemente, o tipo de reprodução a ser modelada. Portanto, antes de iniciar o estudo e modelagem do processo da reprodução, bem como as modificações que ele acarretará na arquitetura, torna-se crucial deixar clara as ideias e perspectivas que norteiam este trabalho de pesquisa. Desde a antiguidade o ser humano busca explicações sobre sua origem e comportamentos, assim como sobre o processo cognitivo, peculiar aos humanos, embora não apenas a estes. Uma das áreas da ciência que estudam estes fenômenos é a ciência cognitiva, que busca compreender melhor o processo de aprendizagem e conhecimento. Ela está relacionada a várias áreas do saber, dentre elas a biologia, psicologia, filosofia e neurociência. As abordagens para o fenômeno da cognição podem ser classificadas em duas linhas: uma mais tradicional, conhecida como objetivista, que assume a realidade como pré-dada e independente do sujeito, onde o saber e o conhecer humanos são vistos como representações internas de um mundo externo realizadas pelo sujeito; a outra, a abordagem não-objetivista, que assume a realidade como construída pelo sujeito no curso de sua interação com o ambiente, na qual o saber e o conhecer humanos são vistos como adaptações sofridas pelo sujeito decorrentes de suas interações com o mundo. No ideário não-objetivista, o objeto e o sujeito evoluem juntos, ou seja, em regime de co-dependência. Assim, ela assume que o sujeito constrói seu mundo de acordo com suas interações (com outros sujeitos e/ou objetos que compõe seu próprio ambiente). Para a abordagem não-objetivista, há algumas variantes, dentre elas: biologia do conhecer (MA- TURANA; VARELA, 2001), cognição situada (CLANCEY, 1997) e enação (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003). Em conformidade com a abordagem não-objetivista, o projeto Artífice, no qual este presente trabalho está inserido, vem sendo, desde 2000, desenvolvido em diversos trabalhos. Um dos próximos passos de desenvolvimento do projeto é o estudo da gênese dos grupos sociais. Antes, porém, se torna necessário o estudo, a modelagem, bem como a implementação de um mecanismo adequado para a reprodução e filogenia de criaturas artificiais, foco deste trabalho de pesquisa. Para uma discussão mais detalhada acerca da metodologia de criação de criaturas artificiais da arquitetura ARTÍFICE e as implicações de alguns trabalhos já desenvolvidos nessa nova perspectiva de pesquisa, vide Santos (2003), Campos (2006), Silva (2008) e Mapa (2009). Na próxima seção, um breve histórico da arquitetura Artífice é apresentado. 1.1 Breve histórico da arquitetura Artífice Concebido por Borges (2000) o projeto Artífice tem como objetivo principal a criação de uma arquitetura flexível que possibilite o desenvolvimento de criaturas artificiais, baseado nas teorias situacionistas da cognição. Nesse processo, o projeto Artífice busca na biologia e na filosofia o lastro teórico para o desenvolvimento de uma abordagem diferenciada para a construção de criaturas artificiais. No momento, o Artíficie passa por algumas refatorações de software no intuito de melhorar seu desempenho e facilitar seu uso. A seguir, será feita uma breve discussão acerca dos trabalhos mais relevantes necessários para a compreensão da versão atual da arquitetura.

15 Capítulo 1. Introdução 2 O estudo teórico inicial, base para a construção inicial da arquitetura, foi realizado por Santos (2003). Nele, o autor contextualiza as abordagens cognitivas objetivista e não-objetivista, discutindo seus pressupostos filosóficos e suas implicações para a criação de software com comportamentos inteligentes. Enfatizando a abordagem da cognição situada, Santos (2003) cria uma base teórico-conceitual inicial para o projeto Artífice, contendo os componentes que fazem parte da organização do agente e os relacionamentos entre eles, para representar, na medida do possível, os principais aspectos da cognição humana. Santos (2003) em coerência com a inspiração biológica, criou dois subsistemas na estrutura da criatura artificial: o sistema cognitivo e o sistema não-cognitivo. O sistema cognitivo seria similar ao sistema nervoso humano e o sistema não-cognitivo seria os demais órgãos do corpo da criatura, sendo que esses não possuem nenhuma função cognitiva. A interação entre os sistemas se dá pela troca de estímulos realizada por componentes sensores e efetores, conforme ilustra a Figura 1. Figura 1 Sistemas cognitivo e não-cognitivo da criatura artificial. Fonte: Santos (2003) Após a criação do embasamento teórico-conceitual feito por Santos (2003), tendo como foco a organização funcional, foram realizados alguns trabalhos para detalhar e implementar sua estrutura. Neste sentido, outro trabalho que merece ser destacado é o de Campos (2006). Responsável pela modelagem do processo cognitivo-emocional, processos homeostáticos e de suas relações, Campos (2006) implementou na criatura as emoções que modulam o seu comportamento por meio de suas tendências de ação em um determinado momento e de acordo com a situação e as affordances 1 presentes naquele momento. Campos (2006) modelou na criatura artificial emoções básicas do ponto de vista biológico: fome, sono e rubor. Estas emoções são fundamentais para a manutenção do equilibrio homeostático da criatura e foram reguladas pelo seu respectivo nível de arousal 2. A variação do arousal influencia no comportamento da criatura artificial via mecanismo de coordenação sensório-motora, responsável pelo ajuste dinâmico de sua eficiência comportamental. Foi implementado um mundo 2D contendo os seguintes objetos: pedra, nutriente e totem com os quais a criatura interagia. O traço marcante do trabalho de Campos (2006) foi o mecanismo proposto de troca de estímulos interno, não determinístico e assíncrono. Além disso, este trabalho trouxe outros resultados relevantes para a arquitetura, como, por exemplo, os tipos de respostas comportamentais em uma criatura artificial, sendo elas: rápida, semi-elaborada e elaborada. Em síntese, Campos (2006) modelou o processo 1 affordances são as possibilidades de ação que surgem para a criatura num certo momento e em certa situação. Para maiores detalhes veja Campos (2006). 2 arousal segundo Buck (1976) é a medida do grau de excitação fisiológica da emoção que se reflete nas atividades autônoma, somática e do sistema nervoso central.

16 Capítulo 1. Introdução 3 cognitivo-emocional que, uma vez implementado, possibilitou a emergência do comportamento inteligente para as criaturas artificiais. Dando continuidade ao trabalho de Campos (2006), Silva (2008) desenvolveu um mecanismo de condicionamento para a arquitetura Artífice com intuito de incorporar à dinâmica de operação da arquitetura os processos de aprendizagem associativa, mediante condicionamento clássico e operante. Silva (2008) caracterizou o condicionamento clássico na criatura artificial atuando no primeiro nível de resposta do sistema nervoso, a resposta reflexa, sendo ela uma resposta inata. O condicionamento clássico não envolve nenhum tipo de valoração emocional ou cognitiva, já o condicionamento operante, ou instrumental, lida com ações voluntárias. Neste tipo de aprendizado, há a influência da valoração da experiência. Assim se a experiência for "agradável", terá uma maior chance de acontecer novamente. Caso contrário, a experiência terá uma chance menor de tornar a acontecer novamente. Este mecanismo permite a criatura artificial modelada no projeto Artífice forjar padrões comportamentais, por meio de reforço/inibição de comportamentos já vivenciados. Posteriormente, Mapa (2009) modelou na criatura artificial a memória experiencial de longo prazo, o que facilitou a adaptação da criatura no ambiente. Isso se deve ao fato das experiências consolidadas em sua memória de longo prazo serem evocadas para contribuir com a escolha da ação mais adequada a ser executada numa certa situação. Esta seleção se dá por meio da avaliação das expectativas quanto a eventuais recompensas ou punições decorrentes de cada ação possível (affordances), ou seja, suas experiências já vivenciadas contribuem para que seu comportamento presente esteja mais adaptado ao meio e, assim, a criatura consiga sobreviver por mais tempo. Em seus experimentos, Mapa (2009) pôde comprovar que o tempo de vida de uma criatura artificial com memória, sendo exposta às mesmas condições de uma criatura sem memória, é mais do que o dobro, o que comprova a noção de que a formação de memórias contribui para a adaptabilidade da criatura a seu ambiente. O diagrama de blocos da Figura 2 ilustra a atual organização do projeto Artífice, proposta por Mapa (2009). Como já foi dito anteriormente, um dos projetos de longo prazo do grupo de pesquisa consiste em estudar a gênese dos grupos sociais. Obviamente, tal projeto somente poderá ser levado a cabo, de modo consistente, se as criaturas tiverem a função de reprodução. Este é precisamente o objetivo do presente trabalho. Assim, tendo em vista a plausibilidade biológica, esse trabalho realizará o estudo, a modelagem e a implementação da reprodução na arquitetura Artífice. 1.2 Escopo do trabalho e objetivos O objeto de estudo deste projeto de pesquisa é a modelagem e implementação de um mecanismo de reprodução para a arquitetura Artífice. O desenvolvimento deste permitirá que as criaturas artificiais se reproduzam por meio de seu sistema reprodutor e, consequentemente, gerem descendentes. Ainda, como prova de conceito para a modelagem a ser desenvolvida, propõe-se que a criatura herde características de seus ascendentes, para que possa, assim, se adaptar mais facilmente ao ambiente. Assim sendo, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver um mecanismo de reprodução que possibilite às criaturas artificiais, produzidas a partir da arquitetura Artífice, a capacidade de gerar descendentes, preservando a hereditariedade reprodutiva e gerando uma linhagem específica de criaturas artificiais. Para tanto, este trabalho se propõe aos seguintes objetivos específicos: 1. elaborar um referencial teórico consistente sobre o processo de reprodução na perspectiva biológica,

17 Capítulo 1. Introdução 4 Figura 2 Diagrama em blocos do atual modelo da arquitetura Artífice artificial. Fonte: Mapa (2009) discutindo os tipos de reprodução e selecionando um deles como inspiração para a modelagem do projeto; 2. modelar e implementar a distinção entre gêneros (feminino/masculino) nas criaturas artificiais; 3. modelar e implementar os estímulos necessários para que as criaturas artificiais apresentem comportamentos voltados à reprodução; 4. modelar o mecanismo de reprodução da criatura artificial; 5. acoplar tal mecanismo na arquitetura Artífice, permitindo sua integração e perfeito funcionamento com a arquitetura já existente; 6. desenvolver uma aplicação de vida artificial, com intuito de verificar se a criatura tem a capacidade de se reproduzir e repassar para seus descendentes parte daquilo que aprendeu ao longo de sua ontogenia; 7. realizar experimentos computacionais para avaliar se as criaturas filhas se adaptam melhor, no seu ambiente, que seus ascendentes, isto é, se a herança contribui para o aumento da adaptabilidade dos descendentes. 1.3 Estrutura da dissertação Este trabalho está dividido em 5 capítulos. No Capitulo 1 são apresentados, ainda que en passant alguns conceitos e, os principais aspectos teóricos necessários a compreensão do projeto, o escopo e objetivo do projeto de pesquisa e a estrutura desta dissertação. No Capítulo 2 são discutidos alguns aspectos relativos ao processo da reprodução numa perspectiva biológica. Serão ressaltados conceitos

18 Capítulo 1. Introdução 5 importantes que se relacionam à escolha do tipo de reprodução e aspectos que se fazem relevantes para a compreensão do restante do trabalho. Já no Capítulo 3 é discutido o modelo conceitual proposto para o mecanismo de reprodução, destacando as abstrações selecionadas a partir da literatura, bem como as opções de modelagem e as principais modificações feitas na implementação do mecanismo de reprodução para a arquitetura Artífice. o Capítulo 4 é dedicado à descrição dos resultados alcançados dos experimentos computacionais realizados, bem como a análise e discussão de resultados obtidos. Finalmente, no Capítulo 5 é feita a conclusão do trabalho, avaliando os resultados obtidos e confrontando-os com os objetivos propostos. Também serão discutidas as possibilidades de trabalhos futuros no âmbito deste projeto de pesquisa. Para finalizar, serão relacionadas as principais contribuições deste trabalho para a estruturação do projeto Artífice.

19 6 2 Sobre a reprodução de organismos Neste capítulo será discutido o fenômeno da reprodução em um perspectiva biológica e filosófica. Como também serão apresentados e discutidos trabalhos correlatos na área da inteligência artificial. 2.1 Aspectos biológicos da reprodução A reprodução é o processo biológico através do qual novos organismos são produzidos. Segundo Dahnof (2009), ela se fundamenta no processo de sobrevivência, isto é, tem como característica dar continuidade ao ciclo vital, pois obviamente sem prole nenhuma espécie pode sobreviver. Todos os seres vivos se reproduzem, seja por meio de reprodução assexuada ou sexuada e, como resultado dessa reprodução, geram descendentes para perpetuar a espécie. A reprodução assexuada indica estabilidade biológica, ou seja, o indivíduo gerado será uma cópia idêntica do seu gerador. Por outro lado, na reprodução sexuada os gametas de dois indivíduos distintos se fundem para gerar um terceiro, que portará algumas características de cada um de seus progenitores Reprodução assexuada Na escala evolutiva, o primeiro tipo de reprodução a surgir foi a assexuada. Nesse tipo de reprodução, o indivíduo não necessita de outro da mesma espécie para se reproduzir. A reprodução assexuada assentase, em nível celular, no processo de mitose, que é caracterizada pela divisão da célula, que será duplicada para gerar duas células idênticas (DAHNOF, 2009). Dahnof (2009) exemplifica a reprodução assexuada com a divisão de uma célula bacteriana em duas células-filhas conforme ilustrado na Figura 3. Contudo, lembra que este tipo de reprodução não está restrita aos organismos unicelulares. As plantas, a estrela do mar e os seres procariontes são exemplos de seres vivos que se reproduzem de maneira assexuada. Segundo Guyton e Hall (2006), um dos primeiros eventos da mitose ocorre no citoplasma, em pequenas estruturas denominadas centríolos sendo que, cada célula possui 2 pares de centríolo que se localizam próximo a um dos pólos do núcleo (c.f. Figura 3A). Instantes antes de ocorrer a mitose eles se separam um do outro; neste momento, microtúbulos crescem radialmente de cada par de centríolos formando uma estrela espinhosa denominada áster em cada extremidade da célula (c.f. figura 3B e 3C). O complexo de microtúbulos, que unem os dois pares de centríolos é denominado fuso; ainda na Figura 3C, os cromossomos do núcleo se condensam em cromossomos bem definidos. Posteriormente, ocorre o rompimento do núcleo (c.f. Figura 3D). As fases citadas até o momento é denominada prófase. Já na metáfase, indicada na Figura 3E, acontece a fase de máxima condensação dos cromossomos e desfragmentação total da carioteca (membrana nuclear), ocasionando o deslocamento e disposição linear dos cromossomos na placa equatorial (metafásica) da célula e a ligação dos centrômeros às fibras do fuso. Já a Figura 3F indica a anáfase, fase da divisão onde ocorre a separação dos cromossomos duplicados, migrando cada cromátide irmã em direção aos polos opostos, em razão do encurtamento dos microtúbulos. Por fim, ocasionará a telófase, caracterizada pelo agrupamento e descompactação dos cromossomos (genoma) em extremidades opostas, recomposição da carioteca e nucléolo, finalizando o processo com a citocinese (individualização do citoplasma em duas células-filhas) indicada nas Figuras 3G e 3H.

20 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 7 Figura 3 Fases da reprodução celular por mitose. Fonte: Guyton e Hall (2006) Reprodução sexuada A reprodução sexuada é mais complexa do que a reprodução assexuada, pois, além de ser realizada por dois indivíduos por meio da junção de seus gametas, se dá via reprodução celular por meiose (ver Figuras 4 e 5), na qual os indivíduos adquirem características dos seus progenitores. A reprodução por meiose acontece em duas etapas. A primeira é conhecida como divisão reducional, pois os cromossomos são reduzidos pela metade. Na Figura 4 pode-se observar que um par de cromátides únicas e um crossing over único são mostrados, formando quatro gametas diferentes. Posteriormente os cromossomos se replicam no decorrer da interfase e começam a se condensar, neste momento inicia a etapa da profáse I. Consequentemente os cromossomos se ligam e se recombinam. Os quiasmas (ponto de encontro entre cromatídeos mediante divisão celular) são homólogos e estão alinhados na metáfase I. Durante a anáfase I, os cromossomos são tracionados para os pólos opostos. Finalizando assim a primeira fase da divisão meiótica. Já na Figura 5, têm-se a segunda fase da meiose. Ela se inicia semelhante a reprodução por mitose; na prófase II ocorre a condensação de cromossomos constituídos por dois cromatídios e respectivamente a organização do fuso. Na metafase II ocorre a condensação máxima da cromatina e os cromossomos colocam-se na zona equatorial da célula, com os centrómeros no plano equatorial. Posteriormente, a anáfase II é a etapa responsável pela ascensão polar dos cromatídios irmãos. Finalmente, durante a telófase II, acontece a descondensação da cromatina, gerando 4 células haplóides. Para Mayr (1997), do ponto de vista evolucionário, a reprodução sexuada é ideal, afinal ela aumenta a variabilidade genética da prole, graças a enorme quantidade de recombinação dos genótipos parentais garante que cada filho seja único, o que traz múltiplas vantagens na luta pela sobrevivência. Mayr (1997) lembra ainda que, em todo processo de recombinação reina o acaso, ou seja, as recombinações são geradas aleatoriamente, fazendo com que o acaso tenha uma grande contribuição para a

21 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 8 Figura 4 Primeira fase da reprodução por meiose. Fonte: Nussbaum, McInnes e Willard (2008). Figura 5 Segunda fase da reprodução por meiose. Fonte: Nussbaum, McInnes e Willard (2008). seleção natural. A variabilidade genética contribui para a adaptação de indivíduos a mudanças no ambiente, pois possibilita que eles eventualmente adquiram características inovadoras e únicas, necessárias para tanto.

22 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos O instinto da reprodução Na sua forma mais primária, os instintos são impulsos para manter a vida biológica. Eles não podem ser adquiridos pela aprendizagem, eles nascem com o individuo e são típicos do comportamento animal, principalmente em comportamentos que favorecem a sobrevivência da espécie, dentre eles o acasalamento. De fato, Darwin (2003) acreditava que o instinto é tão importante para a espécie quanto qualquer estrutura corpórea. Dentre os instintos primários têm-se: instinto de conservação, instinto motor, instinto de alerta e o instinto de reprodução. (VELS, 2003) Bear, Connors e Paradiso (2002), se referindo ao sistema nervoso, comparam o "impulso da reprodução" à forte motivação que têm-se para comer e beber, e evidenciam que, para fins de sobrevivência, essas ações devem ser tratadas mais rapidamente pelo sistema nervoso. Para fins de sobrevivência, as funções que mantêm a vida, como a reprodução e o comportamento alimentar, não são deixadas completamente à mercê dos caprichos do pensamento consciente. Em vez disso, são reguladas por estruturas subcorticais enquanto que o elaborado controle consciente é gerado pelo córtex cerebral (BEAR; CONNORS; PARADISO, 2002). Responsável pelo "impulso de reprodução", o instinto é tratado no tronco encefálico, estrutura subcortical, pertencente ao sistema nervoso. Os instintos são considerados padrões fixos de ações, que envolvem comportamentos típicos de espécies, como aquelas que motivam a volta para casa e movimentos migratórios. Estes podem envolver padrões complexos de comportamento, que, quando observados, são totalmente inflexíveis e hardwired, tais como os reflexos.(buck, 1976). Segundo Buck (1976), lesões na região anterior ao hipotálamo podem alterar a administração de hormônios sexuais, abolindo permanentemente o comportamento sexual em ratos machos e fêmeas. Assim, o instinto de reprodução incita os seres a transmitir a outros seres a centelha de vida de que são portadores, portanto todos os seres vivos se reproduzem garantindo, assim, a preservação da espécie. Este instinto é despertado em cada espécie ao longo de sua existência em diferentes períodos, e se manifesta em cada gênero (masculino e feminino) de maneira diferente. Segundo Rheinber (2008), o instinto em si é desencadeado através de um estímulo-chave e, uma vez desencadeado, se desenvolve automaticamente, não podendo ser modificado por influência externa Estimulação desencadeante para a reprodução Para que a reprodução sexuada aconteça, obviamente, serão necessários, dois indivíduos. Para que estes seres se encontrem em seus períodos férteis eles se utilizam de diversos tipos de comunicação. Dentre os estímulos-chave existentes temos: estímulos auditivos (e.g. a fêmea do bicudo emite um som), estímulos visuais (e.g. a fêmea dos primatas evidenciam uma vermelhidão que começa primeiramente na pele ao redor da linha pubiana, estendendo-se por debaixo da cauda, da parede abdominal, das nádegas, da porção caudal das costas e da parte interna das coxas) e o estímulo olfativo (e.g. a cadela libera um hormônio no ambiente). Para atrair outros indivíduos da mesma espécie para si, grande parte dos seres vivos usa um tipo de comunicação química baseada no hormônio feromônio. Os feromônios são secretados por glândulas localizadas em diferentes partes do corpo: em roedores, principalmente na região anogenital. O papel do feromônio no ciclo da reprodução é de fundamental importância, pois é através desse hormônio que o indivíduo macho percebe que a fêmea esta pronta para o acasalamento. Behr et al. (2009), explica que algumas espécies secretam feromônio no ambiente em que vivem para influenciar o comportamento e/ou fisiologia de membros da mesma espécie. Os animais usam seu sistema olfativo para detectar a presença do ferômonio e mediar uma variedade de comportamentos sociais, dentre eles, a maternidade, territorialidade, alimentação e o acasalamento (BEAR; CONNORS; PARADISO, 2002).

23 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 10 O reconhecimento do indivíduo por meio dessas substâncias parece possibilitar a formação de pares, reconhecimento de familiares e o estabelecimento de hierarquias de dominância. Nos roedores a fêmea quando está apta a reproduzir exala uma certa quantidade de ferômonio, o que possibilita que macho reconheça que ela está apta para se reproduzir e vai ao seu encontro para que possivelmente aconteça a cópula (MOURA; XAVIER, 2010) Etapas de um processo reprodutivo No que diz respeito ao processo de reprodução como um todo, especificamente a reprodução sexuada, tomando como exemplo a reprodução de roedores, obedece as seguintes fases: 1. Aproximação: quando a fêmea está apta para a reprodução ela libera o hormônio feromônio pela região anogenital. Quando o sistema olfativo do macho sente esse estímulo, ele poderá ir ao encontro da femêa. 2. Cópula: se o macho for ao encontro da fêmea eles irão realizar a cópula neste momento o macho passará seu material genético para a fêmea. 3. Fecundação: como a fêmea está em seu período fértil, o seu óvulo poderá ser fecundado, o que dará origem ao embrião. 4. Gestação e nascimento: se houver a formação de um embrião o período de gestação da fêmea é de aproximadamente 3 a 5 meses. Logo após este período ocorre o nascimento do(s) filhote(s). Vale ressaltar que a fêmea e o macho não nascem aptos a ser reproduzir. Após certo tempo de vida, a fêmea terá ciclos continuos de períodos férteis e posteriormente ela perderá a capacidade reprodutiva. O macho após algum tempo de vida terá um ciclo único de reprodução (vale ressaltar que o ciclo reprodutivo da criatura macho é maior que um ciclo da criatura fêmea), e respectivamente a este período ele também perderá a capacidade reprodutiva. Assim, considerando as características gerais da reprodução sexuada que permitirá uma seleção natural das características das criaturas, esta forma de reprodução mostra-se mais adequada com propósitos de longo prazo do projeto Artífice, quais sejam, a formação de linhagens de criaturas artificiais. 2.2 Reprodução e hereditariedade na perspectiva da biologia do conhecer Maturana e Varela (2001) discutem a história da evolução dos seres vivos ao longo dos seus mais de 3 bilhões de anos, e apontam a reprodução e a hereditariedade como essenciais para o entendimento dessa história. Estes autores definem a reprodução de uma unidade 1 como o processo mediante o qual é gerada outra unidade da mesma classe. Sendo assim, um observador reconhece essa unidade a partir da constatação de que ela apresenta a mesma organização da unidade original, o que coloca em evidência a unidade original e o processo que a reproduz. Mais importante, Maturana e Varela (2001) afirmam que o fenômeno da reprodução não é constitutivo do ser vivo, ou seja, não faz parte de sua organização 2. Para haver reprodução deve haver uma unidade com organização definida, afinal acrescentar algo a uma dinâmica estrutural é diferente de modificá-la. Assim, esses autores definem três modos de originar novas unidades: 1 unidade: uma unidade define, através de suas propriedades, o espaço no qual ela existe e o domínio fenomenal que ela pode gerar na sua interação com outras unidades (MATURANA; VARELA, 2001). 2 organização: A organização de uma unidade ou sistema é o conjunto de relações que estão necessariamente presentes no sistema e que lhe definem a existência (MATURANA; VARELA, 2001).

24 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos Réplica: é um mecanismo que em seu funcionamento gera repetidamente unidades da mesma classe, ou seja, as que forem geradas serão clones da original. Portanto, as unidades originadas serão independentes historicamente uma das outras. 2. Cópia: contexto onde a unidade geradora sempre será diferente, ou seja, cada unidade gerada posteriormente vai gerar outra unidade, assim, a estrutura básica será sempre a mesma, mas as cópias herdam resquícios da história da unidade anterior. Neste caso, as unidades originadas serão dependentes historicamente uma das outras. 3. Reprodução: mecanismo onde uma unidade resulta em duas unidades da mesma classe, as unidades originadas não são idênticas entre si, mas pertencerão à mesma classe. O fundamental do processo reprodutivo (diferente da réplica ou da cópia) é que tudo ocorre na unidade como parte dela, e não há separação entre o sistema reprodutor e reproduzido. Tampouco se pode dizer que as unidades que resultam da reprodução preexistam, ou estejam em formação antes que aconteça a fratura reprodutiva: elas simplesmente não existem (MATURANA; VARELA, 2001). Mesmo que a unidade gerada tenha a mesma organização estrutural da unidade original, há nela aspectos estruturais diferentes. Não apenas por ser menor, mas ao se tornar unidade, os componentes estruturais não são divididos uniformemente o que possibilitará uma história individual de mudança estrutural. Sendo assim, o fenômeno da reprodução produz criaturas historicamente conectadas, que sofrem rupturas reprodutivas para a formação de um sistema histórico. (MATURANA; VARELA, 2001). O fenômeno da hereditariedade se dá a partir do momento em que ocorre uma série histórica, assim, sempre são encontradas configurações estruturais de uma unidade na unidade posterior. Nas palavras de Maturana e Varela (2001) nos sistemas que se reproduzem, a hereditariedade acontece em cada instância reprodutiva como um fenômeno constitutivo dela, ao produzir duas unidades da mesma classe. Como a reprodução surge a partir de um plano de fratura, haverá uma certa permanência de características ao longo das gerações, logo, é possível gerar semelhanças e diferenças entre descendentes. Maturana e Varela (2001) chamam de hereditários os aspectos da estrutura inicial da nova unidade herdados da unidade original. Aos aspectos diferentes dá-se o nome de variação reprodutiva, onde é determinada a influência da hereditariedade ao longo das gerações. 2.3 Alguns aspectos da modelagem da reprodução Ao buscar subsídios na literatura para realizar a modelagem inicial da arquitetura Artífice, Santos (2003) aponta aspectos básicos que podem ser atribuídos a uma criatura artificial: ontogenia, filogenia e criação. Ontogenia é definido como sendo a história particular de interações de cada ser vivo com o ambiente ao longo de sua existência (MATURANA; VARELA, 2001). Por outro lado, a filogenia é a história de interações transgeracional (via mecanismo de herança) e, nesse contexto, poderá dar origem às linhagens de seres vivos, isto é, cada ser vivo herda de seu ancestral sua filogenia e repassa ao seu descendente. Deste modo, enquanto a ontogenia representa a história de interações de um ser vivo individualmente, a filogenia representa a história de uma linhagem de seres vivos, e ao longo das gerações é vista como uma evolução para certa linhagem de seres vivos. Considerando os três modos pelos quais uma criatura artificial poderia originar (c.f. seção 2.2), Santos (2003) propôs que a criação de novas criaturas artificiais poderia se dar por meio de produção, reprodução por cópia, reprodução por particionamento e reprodução por junção.

25 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos Geração de criaturas artificiais por produção A maneira mais simples de dar origem a uma criatura ocorre através de uma arquitetura préestabelecida para a criação e, por meio dela, são criadas tantas criaturas quantas forem necessárias, todas idênticas entre si em todos os aspectos. Figura 6 Modelo de produção de uma criatura artifical por replicação. Fonte: Adaptado de Santos (2003) A produção gera criaturas de acordo com um modelo pré-estabelecido, o que significa que deve haver uma metodologia de produção de criaturas específicas (como indicado na Figura 6). A partir desse mesmo modelo, pode ser criada toda uma linhagem, historicamente independentes, de criaturas específicas (c.f. Figura 7). Cabe observar que criaturas geradas através de uma mesma arquitetura não herdam características de seus ancestrais, o que faz com que a produção seja um tipo de criação pouco interessante para este projeto de pesquisa. Esta forma de criação de criaturas artificiais seria correspondente a reprodução por réplica proposta por Maturana e Varela (2001),vide seção Geração de criaturas artificiais por meio de reprodução por cópia Na reprodução por cópia, novas criaturas são geradas através da instanciação de uma criatura já existente. Assim, para que seja possível este tipo de reprodução, é necessário que exista uma criatura modelo que possa ser copiada. Nesse processo, ocorre uma dependência evolutiva entre ancestrais e descendentes, pois cada descendente herda a filogenia de seu ancestral. As modificações progressivas entre as gerações, ao longo da história, são chamadas de linhagem. Cada criatura deve ser capaz de criar uma cópia de si mesma, pois cada uma delas conhece sua ontogenia e filogenia. A partir de uma arquitetura geral, com o subsídio de uma metodologia, pode-se criar, como mostrado na Figura 8, uma arquitetura específica e, em seguida, instanciamos tantas criaturas quantas forem necessárias, todas da mesma linhagem. Neste modelo de reprodução tem-se o correspondente á reprodução por meio de cópia proposta por Maturana e Varela (2001), vide seção 2.2.

26 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 13 Figura 7 Modelo de produção de uma linhagem de criaturas artificais historicamente independentes Fonte: Adaptado de Santos (2003) Figura 8 Modelo de eprodução por cópia de criaturas artificais com dependência histórica de seus ancestrais. Fonte: Adaptado de Santos (2003) Geração de criaturas artificiais por meio da reprodução por particionamento Na reprodução por particionamento, assim como na reprodução por cópia, as características do gerador são herdadas pelo descendente. Para entender melhor esse tipo de reprodução, Santos (2003) define três estados reprodutivos, onde cada criatura deve se enquadrar. Sendo assim, cada criatura poderá apenas estar em um desses estados em um certo instante de tempo. O primeiro caso seria o estado fundamental, em que a criatura apresenta uma organização idêntica à de quando ela foi criada. Sob certas circuntâncias, a criatura muda seu estado para o estado de duplica-

27 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 14 ção, duplicando assim seus componentes internos. Posteriormente, a criatura se divide originando duas criaturas idênticas, como pode ser observado na Figura 9. Figura 9 Modelo de reprodução por particionamento de criaturas artificais Fonte:Adaptado de Santos (2003). A reprodução por particionamento se assemelha à reprodução celular por mitose, dicutida na seção Por outro lado a reprodução por particionamento corresponde a um dos dois modos de reprodução apontados por Maturana e Varela (2001), vide seção Geração de criaturas artificiais por meio de reprodução por junção Na reprodução por junção, assim como nos outros tipos já citados acima, as características da linhagem são herdadas pelos descendentes. Para tanto, duas criaturas se juntam para criar uma terceira criatura, ou seja, o descendente herda seletivamente os componentes, estado e história dos ascendentes, sendo que os agentes originais continuam existindo, como ilustra a Figura 10. Figura 10 Modelo de reprodução por junção de criaturas artificais Fonte: Adaptado de Santos (2003). Portanto, é possível verificar que no tipo de criação feito por reprodução, as criaturas podem passar por grandes mudanças, fazendo, depois de um longo tempo, parte de uma nova organização, ou seja, uma

28 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 15 nova espécie. Utilizando a reprodução por cópia, particionamento ou junção, as criaturas descendentes sofrem modificações progressivas a cada geração. O resultado destas pequenas alterações quando observado em um longo período de tempo cria, cada vez mais, organismos especializados. Os descendentes podem, até mesmo, serem considerados como pertencentes a uma nova organização, ou seja, considerados como tendo uma identidade de classe distinta de seus ancestrais. (SANTOS, 2003) A reprodução por junção se assemelha a reprodução celular por meiose, discutido na seção 2.1.2, que por outro lado corresponde a um dos modos de reprodução proposto por Maturana e Varela (2001), vide seção 2.2. Por fim, cabe ressaltar que uma vez que o comportamento já adquirido passa de geração para geração, sendo a base para a evolução ou o surgimento de uma nova espécie, então, para que este procedimento se torne possível na arquitetura Artífice, basta buscar a implementação de um mecanismo de reprodução que transmita, por herança a seus descendentes, todo ou parte de seu repertório comportamental aprendido ao longo de sua ontogenia, possibilitando um mecanismo de seleção natural, dando origem a criaturas artificiais mais bem adaptadas e que consigam viver por mais tempo. 2.4 Trabalhos correlatos Nesta seção serão discutidos, ainda que de forma sucinta, alguns trabalhos na área de vida artifical que lidam com a reprodução de seus organismos artificiais Creatures Criado originalmente como um software de entreterimento (game) para uso doméstico, o projeto Creatures foi inicialmente desenvolvido, em 1996, por Steve Grand com a proposta de modelar sistemas biológicos reais num computador. Tais criaturas, conhecida como Norns (vide Figura 11), são modeladas com um DNA digital, possuem cérebro, corpo, fazem parte de uma ambiente e possuem ciclo de vida completo: infância, adolescência, idade adulta e velhice, cada uma com suas próprias necessidades específicas. O cérebro é formado por neurônios, cada um destes reage a um estímulo específico. Os neurônios participam de circuitos neuronais, que são implementados via redes neurais winner-takes-all. À quisa de exemplo, a visão não é modelada como uma simulação de ótica ou de processamento de imagens na retina, pelo contrário, se um determinado objeto está dentro da linha de visão de uma criatura, um neurônio que representa a presença de tal objeto no campo visual se torna ativo. Os componentes do cérebro, o corpo e o funcionamento da bioquímica das criaturas encontra-se codificado em seu DNA digital, inclusive os "drives". Estes podem evoluir das mais diversas e imprevisíveis maneiras. Segundo Grand, Cliff e Malhotra (1996), Norns podem ser produzidos por companheiros do sexo oposto. Eles darão um grande beijo prolongado (nuzzle) e depois de duas horas de gravidez, a fêmea deposita os ovos, que são formados por uma mistura de código genético (DNA digital) de cada um dos pais, juntamente com mutações aleatórias, permitindo assim a evolução em sua adaptabilidade. Cabe ressaltar que o projeto Creatures é, de fato, um game, não tendo assim pretensões acadêmicas Tierra O projeto Tierra foi produzido por Thomas Ray em meados de 1992 e tinha como objetivo estudar o mecanismo de seleção natural Darwiana em um ambiente computacional. As "criaturas" são na verdade pequenos códigos em C de diferentes tamanhos, que rodam em uma máquina virtual. Cada tipo de criatura é representada por uma barra colorida, correspondente ao seu genoma específico.

29 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 16 Figura 11 Exemplo de Norns, organismos artificiais pertencentes ao projeto Creature. Fonte:Grand, Cliff e Malhotra (1996) A "reprodução" desses códigos é realizada a partir da recombinação de dois códigos, mesclando parte do código de duas ou mais criaturas. Os códigos não funcionais são eliminados e os funcionais são mantidos e competem entre si por espaço na memória RAM e fatias de tempo na CPU. O aplicativo Tierra mantém arquivados os registros de vida de cada criatura. A Figura 12, representa 4 instantes distintos de uma simulação realizado com o Tierra. Nesta figura, as barras vermelhas, correspondem ao hospedeiro, que poderá ser infectado por um parasita, e o seu tamanho é de 80 bytes; já as barras amarelas representam os parasitas, criaturas que poderão infectar o hospedeiro, o seu tamanho é de 45 bytes; finalmente as barras azuis representam os hospedeiros imunes, que não mais poderão ser infectados pelos parasitas, e o seu tamanho é de 79 bytes. Na Figura 12, etapa 1, pode-se observar que a simulação possui um grande maioria de hospedeiros (representados pela cor vermelha), e apenas alguns parasitas (representados pela cor amarela) e hospedeiros imunes (representados pela cor azul). Respectivamente nas etapas 2 e 3 pode-se observar que alguns hospedeiros foram infectados. Por fim, na etapa 4 podemos notar uma alta incidência de hospedeiros imunes. Neste contexto, podemos observar que prevaleceu a seleção natural Darwiana, onde o mais bem adaptado, que neste caso seria o hospedeiro imune, sobrevive. Sobre o projeto Tierra cabe ressaltar que sua finalidade é demonstrar a seleção Natural Darwiana utilizando de meios computacionais. No entanto, os organismos não são simulações de organismos vivos em um mundo artificial, mas, antes, apenas códigos em C autoreplicantes (para mais informações ver Ray (2013)). Cabe observar ainda que o projeto Tierra foi encerrado em Avida Derivado do projeto Tierra, se caracterizando como uma variante deste, o projeto Avida teve origem em 1993 conduzido por Chris Adami e originou-se com a intenção de gerar organismos digitais para evoluir em soluções para problemas matemáticos específicos, sem definir a abordagem a ser adotada

30 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 17 Figura 12 Simulação com a plataforma Tierra. Fonte: Ray (2013) para a solução destes problemas. Em conjunto com os pesquisadores Charles Ofria e C. Titus Brown, foi desenvolvida uma plataforma para Avida. Esta nova plataforma foi projetada para registrar precisamente todos os aspectos da população a ser pesquisada. Diferentemente do Tierra, que era executado sequencialmente, o sistema Avida realiza a simulação em paralelo, permitindo que todos os organismos sejam executados simultaneamente. Outra diferença se encontra no espaço de memória específico para cada organismo pertencente ao Avida, ou seja, outros organismos digitais não podem acessar este espaço de memória, e não pode executar um código que não está em seu próprio espaço de memória. Desde 1993, Avida teve alguns recursos adicionados, como interface gráfica sofisticada e um sistema de agendamento de ações que podem ocorrer ao longo do experimento. O sistema ainda hoje continua em desenvolvimento na Michigan State University, agora sobre a liderança de Charles Ofria e David Bryson. De acordo com Lenski et al. (2003), a reprodução dos organismos (códigos auto-replicantes) acontece de forma assexuada, ou seja, é um sistema auto-replicante que poderá sofrer mutações. Para maiores detalhes, ver Ofria e Bryson (2013). Assim como no projeto Tierra, Avida se destina ao estudo da dinâmica populacional de "criaturas" muito simples, que competem entre si por espaço computacional. Não se pretende que estes códigos representem, por assim dizer, organismos artificiais inspirados em organismos biológicos Evolve 4.0 Criado em 1996, o projeto Evolve é um simulador de evolução baseado no processo de sobrevivência, utilizando de um universo 3D simplificado. No sítio oficial do projeto (STAUFFER, 2013) o usuário pode adquirir o código, criar novas simulações, executá-las e visualizar o comportamento das criaturas em evolução. Desde sua criação, passou por uma grande evolução e hoje a sua versão mais completa para Windows conta com uma interface gráfica bem desenhada e vários recursos para examinar a evolução da criatura ao longo do experimento.

31 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 18 Figura 13 Simulação com a plataforma Avida. Fonte: Ofria e Bryson (2013) Na interface gráfica da simulação mais simples (c.f. Figura 14) cubos amarelos representam organismos vivos, cubos vermelhos representam células que acabaram de morrer, cubos brancos, são material orgânico não-vivo (podem ser consumidos como energia), cubos azuis são esporos e dentro da interface pode existir obstáculos. Cada cubo representa uma célula, e essa células podem se unir formando organismos multicelulares. Figura 14 Interface gráfica 3D. Fonte: Stauffer (2013) O Evolve se baseia em estruturas e células como encontradas na natureza, assim um dos objetivos

32 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 19 do projeto é simular parcialmente a vida na terra utilizando de uma linguagem análoga à do DNA. Um organismo pode ter muitas células executoras diferentes, mas todas partes do mesmo programa genético. Consequentemente, é possivel que cada célula se especialize em uma função, possibilitando assim que gerem comportamentos mais complexos. A reprodução é realizada através de esporos; essa função é iniciada quando o usuário executa a instrução MAKE-SPORE(). A reprodução pode ser realizada de dois modos: de maneira "assexuada" e "sexuada". a) Reprodução Assexuada: a reprodução assexuada acontece quando um organismo (quadrado amarelo) cria um esporo (quadrado azul). Este esporo após algum tempo se transforma em um organismo, com as mesmas características do organismo pai, as caracteristicas apenas serão diferentes caso esteja introduzido algumas mutações na realização do programa. Ver Figura 15. Figura 15 Reprodução assexuada dos organismos do projeto Evolve. Fonte: Stauffer (2013) b) Reprodução Sexuada: a reprodução sexuada acontece quando um organismo cria um esporo e respectivamente um organismo B cria um outro esporo no mesmo local; neste momento o material genético de ambos se fundem formando um novo organismo. Este processo de recombinação tem o potencial de introduzir novas variações para o universo. Como são dois programas genéticos que irão ser fecundados, primeiramente uma sequência aleatória de 16-bits é gerada, como exemplo, a sequência Quando o bit corresponder ao valor lógico falso, ou seja, igual a 0, a característica adquirida será da criatura A. Se o bit corresponder ao valor lógico verdadeiro, ou seja, igual a 1, a característica adquirida será do organismo B. Bit Criatura A Criatura B Característica adquirida 0 X X Y Z A B C X X Y Z JJ YY ZZ JJ YY ZZ 0 X0 Y0 W P Q X0 Y0 1 K 1 8 RY RY Z RY RY Z 0 R 1 2 J S X S O R 1 2 J 1 B B 89 empty B B 89 Tabela 1 Mescla dos dois programas genéticos durante a reprodução sexuada. Fonte: Stauffer (2013)

33 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 20 Cabe destacar que o Evolve lida com organismos unicelulares e multicelulares, no entanto, estes últimos são meros agregados de células, que não possuem um sistema nervoso, nem apresentam cognição, tampouco aprendizado. O projeto continua em atividade até hoje Darwinbots Darwinbots é um simulador de vida artificial, criado por Carlo Comis (2013) em 2003 (sendo estudado e reformulado até hoje), no qual uma série de organismos artificiais denominados "bots" interagem entre si, lutam por comida, reproduzem e evoluem em um ambiente virtual. Darwinbots simulam genes que controlam o comportamento de um único indivíduo, e indivíduos com genes semelhantes se reconhecem como parentes. Cada bot tem um nível de energia que aumenta quando ele se alimenta e diminui quando ele realiza alguma ação codificada; seu metabolismo é controlado através de sua alimentação e do depósito de resíduos. Um bot pode "morrer" caso sua energia esteja muito baixa ou se houver muitos resíduos a sua volta. A alimentação é o processo mais complexo, neste processo está envolvido a visão, o movimento de reconhecimento do alvo e a interação com o alimento. Sua evolução é definida pela eficiência de energia e pela gestão de seus resíduos. A reprodução é feita de maneira sexuada com "bots" que sejam parentes. Possuem um ciclo determinado para se reproduzirem e os seus descendentes recebem uma mescla dos genes de seus ascendentes. Na Figura 16 os círculos amarelos são animais bots e o círculos verdes são vegetais bots, os outros resquícios no ambientes são rejeitos depositados pelos bots. Figura 16 Simulação realizada através da plataforma Darwinbots. Fonte: Comis (2013) Cabe ressaltar que o darwinbots lida com organismos mesmo que um pouco mais evoluidos que os anteriores, pois controlam sua energia a partir do consumo de alimentos e da eliminação de rejeitos; também não possuem um sistema nervoso e nem apresentam cognição.

34 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos Ecosim É um projeto que se baseia no modelo presa-predador para simular um ecossistema onde os agentes evoluem. O objetivo da criação do Ecosim foi a investigação da evolução de longa-duração, bem como a macroevolução. Foi idelizado na Universidade de Windsor, em 2009, por Robin Gras e é utilizado até hoje para pesquisas na área. Os agentes pertencentes ao Ecosim possuem várias características físicas, tais como: idade máxima e atual, idade mínima para o acasalamento, velocidades máxima e atual, visão, níveis máximos e atuais de energia e a quantidade dessas características que será transmitida para a prole. A energia é fornecida aos indivíduos pelos recursos (grama ou carne) que encontram em seu ambiente. Um agente consome um pouco de energia cada vez que realiza uma ação; caso não a reponha, isso pode levá-lo ao óbito. Segundo Gras et al. (2009) quando dois organismos virtuais pertencentes ao Ecosim se reproduzem, a informação genética do seu cruzamento é uma combinação dos pais. Como o modelo de comportamento para o organismo é codificado no genoma, tanto da mãe e do pai este comportamento será representado na descendência. No início da simulação, existem duas espécies: predador e presa. Ao longo da simulação, novas espécies podem surgir de qualquer classe. Independentemente das espécies, cada organismo na simulação tem a capacidade para perceber e tomar decisões sobre o seu ambiente. Isso permite que eles sintam necessidades básicas e desejos de alto nível, como a fome, reprodução, curiosidade, medo e felicidade. Na Figura 17 tem-se uma visão geral de uma simulação pertencente a plataforma Ecosim: os agentes em branco são predadores, os agentes em verde são presas e os agentes em azul estão em reprodução. Figura 17 Uma visão geral da EcoSim, uma simulação de evolução do ecossistema predador-presa. Fonte: Gras (2013) O projeto Ecosim trabalha com organismos individuais que possuem necessidades básicas e desejos de alto nível, mesmo assim não possuem um sistema nervoso. O projeto simula um sistema presa-predador para a evolução de um ecossistema.

35 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos Evolved Virtual Creatures Criado por Lee Graham o EVC foi inspirado no trabalho de Karl Sims, realizado em Ele utiliza algoritmos evolucionários com a finalidade de pesquisar e visualizar estratégias para alcançar em seus organismos artificiais níveis de aptidão, que sejam gerados e mantidos pelo sistema em seu determinado ambiente. O programa é executado através de voluntários que o baixam no site do projeto e fornecem informações em torno de uma simulação completa. O usuário define as restrições do corpo (número máximo, tipo, comprimento e ramificações dos segmentos e limites de profundidade e tamanho). As funções de aptidão são avaliadas pela distância percorrida, altura máxima, altura média, "TOG" (determinado pela quantidade de tempo que a criatura fica em contato com o solo) e "Esfera" (determinado pela capacidade da criatura de pegar e segurar esferas). O ambiente em que vive a criatura também é configurado pelo usuário podendo ser plano ou ingrime, conténdo água e possuindo esferas que as criaturas podem pegar. O usuário também configura as funções de reprodução, incluindo o percentual de indivíduos que conseguem reproduzir e, respectivamente, o percentual que se reproduzirá sexualmente ou assexuadamente. A taxa de crossover determina qual a porcentagem de um indivíduo é criado através do cruzamento dos pais ou por mutação; a partir deste processo, é determinada a taxa de mutação do corpo e do cérebro. Figura 18 Criatura do programa Evolução Virtual Criatura 3D. Fonte: Sims (2013) Cabe destacar que a evolução do corpo da criatura para fins de atender a um objetivo pré-estabelecido (e.g., andar em quatro patas) é tratada com um problema de otimização, resolvido por meio de algoritmos evolucionários. Também aqui a criatura não possui um sistema nervoso e nem é autônoma Framsticks É um simulador de vida artificial 3D. Os organismos pertencentes a essa simulação possuem corpo (feito de diversos blocos que são montados de acordo com um roteiro genético, podendo conter um rotor, articulação, músculo, estrutura e receptor) e cérebro (são redes neurais básicas; o script genético serve como planos para a montagem exata e funcionamento da rede neural) que evoluem ao longo do tempo tanto com aptidão definida pelo usuário, por exemplo, evoluindo a capacidade de se mover rapidamente. Segundo Komosinski e Ulatowski (2013) é possível criar vários tipos de experiências, incluindo a otimização simples (por algoritmos evolutivos), co-evolução e evolução espontânea; conjuntos de genes

36 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 23 distintos e populações; diversos mapeamentos genótipo-fenótipo e modelagem de espécies e ecossistemas. Segundo Komosinski e Rotaru-Varga (2001) ao comparar o sistema Framsticks com outros projetos, que estudam a evolução dos seus agentes, pode-se observar que a utilização de formas físicas acarreta em uma maior complexidade ao projeto. A reprodução sexuada é realizada por duas criaturas de um ambiente e a partilha de genes é definida pela taxa de crossover. Figura 19 Exemplo de criatura pertencente ao projeto Framsticks. Fonte: Komosinski e Ulatowski (2013) Na Figura 19 pode-se observar uma criatura feita de cilindros, esferas e rotores, cada um especializado em alguma função, contendo três receptores - tato, olfato, equilíbrio e um músculo que na Figura 19 pode ser visto em vermelho. Cabe ressaltar que a evolução do corpo da criatura para fins de atender a um objetivo estabelecido anteriormente, assim como em EVC. Aqui também a criatura não possui um sistema nervoso e nem é autônoma. 2.5 Considerações Finais De acordo com o que foi discutido neste capítulo o melhor método de reprodução para os fins do projeto Artífice é a reprodução sexuada. Assim, será necessário a implementação dos gêneros da criaturas, bem como o instinto de reprodução descritos neste capítulo. Ademais, será utilizado o modelo de reprodução por junção, modelo este que se assemelha à reprodução sexuada. Fazendo uma pequena análise dos trabalhos correlatos, pode-se observar que os projetos Tierra e Avida trabalham com códigos de computadores que simulam a evolução Darwiana onde os códigos lutam por espaço em memória. O projeto Evolve trabalha com organismos unicelulares e multicelulares e observam a evolução desses organismos em seu ambiente em relação a sua sobrevivência. Em Darwinbots tem-se criaturas mais complexas do que as vistas nos projetos anteriores. Os Bots já se reconhecem como parentes, lutam pela sobrevivência e controlam seu metabolismo.

37 Capítulo 2. Sobre a reprodução de organismos 24 Já o projeto Ecosim consiste em uma simulação baseada no modelo presa-predador, em que seus agentes têm comportamentos que favorecem o processo evolutivo, e adquirem energia com alimentos e perdem energia ao realizarem ações. Tanto o projeto EVC como o Framsticks tem como finalidade o estudo do processo de morfogenese, ou seja,de um corpo físico para as criaturas. Para tanto o processo de morfogenese é modelado como um problema de otimização. As criaturas dos projetos estudados não possuem o cérebro biologicamente funcional, tal como acontece na criatura Artífice. Outro fato que vale comparar é referente aos tipos de memória. Nenhuma das criaturas estudadas possuem um sistema de memória tal como a criatura Artífice, que possui seu sistema de memória completo. A arquitetura Artífice, se comparada aos demais projetos, possui mais funcionalidades e é biologicamente plausível quanto à simulação de criaturas artificiais inspiradas em mamíferos. No próximo capitulo será apresentado a modelagem do sistema reprodutivo para a criatura artificial pertencente ao projeto Artífice e, consequentemente, as modificações realizadas na arquitetura.

38 25 3 Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais A partir do estudo sobre o fenômeno da reprodução e a história filogenética, descrito no Capítulo 2, será discutido neste capítulo o modelo proposto para a reprodução de um organismo artificial, incorporado à arquitetura ARTÍFICE. Este modelo compreende características da reprodução sexuada, bem como a emersão de traços filogenéticos. O principal foco deste modelo foi, portanto, a dinâmica da reprodução sexuada de acordo com a inspiração biológica, viabilizando a variabilidade de características que o descendente poderá herdar de seus ascendentes. Neste contexto, buscou-se uma similaridade com o que ocorre nos organismos biológicos, mais precisamente em animais mais complexos, como os mamíferos e, em especial, mamíferos roedores. Para facilitar a leitura, foi adotada a convenção de grafar os nomes das classes de software em negrito, iniciando sempre com letras maiúsculas. 3.1 Adaptações preliminares na arquitetura Artífice No intuito de tornar a arquitetura mais flexível, foram feitas, em conjunto com os bolsistas do projeto Artífice, modificações em seu código. Estas refatorações foram realizadas para diminuir o custo computacional, possibilitando assim a inserção de várias criaturas sem causar prejuizo ao experimento. Para tanto, foi desacoplada da arquitetura a abstração do mundo artificial, a interface gráfica de exibição e a de controle que, na última versão da arquitetura, estavam fortemente acopladas. Para viabilizar este refatoramento, foi utilizado o modelo cliente-servidor onde a interface gráfica de exibição do mundo artificial faz o papel de servidor e se comunica com seus clientes; neste caso, as interfaces, por meio de espaço RMI (Remote Method Invocation). Deste modo, as threads que fazem parte da interface gráfica do mundo artificial não competem por processamento com as threads da interface de controle ou do "core" da arquitetura, aumentando o seu desempenho e possibilitando a inserção de várias criaturas no mundo. Na Figura 20 é ilustrado o esquema de distribuição (nós de processamento) desta nova versão da arquitetura Artífice, a versão 1.4. Figura 20 Diagrama de distribuição de processamento da versão 1.4 da arquitetura Artífice.

39 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 26 A seguir, são discutidas com mais detalhes e exemplos as características do desacoplamento: A interface de controle da simulação Desenvolvida em JSF (Java Server Faces) com a biblioteca Java Primefaces, a interface de controle é a responsável pela comunicação entre o usuário pesquisador e a arquitetura. Nela são estabelecidas a configuração de cada simulação, como, por exemplo, o número de criaturas e de componentes e o posicionamento desses no início da simulação. Permite, também, salvar as configurações e observar o estado interno de cada criatura durante as simulações. A escolha do JSF foi feita por ser umas das mais novas tecnologias web disponíveis, além de ser uma poderosa ferramenta, possibilitando ao programador, em poucas linhas de código, uma grande variedade de funcionalidades. O Apêndice A apresenta algumas das telas do aplicativo para criação, configuração e controle de um experimento computacional A interface gráfica da simulação Para proporcionar a visualização dos eventos no mundo artificial foi desenvolvida uma interface gráfica em Slick2D. A separação da interface gráfica do resto da simulação se deu para que não houvesse concorrência entre a thread responsável por ela e o resto da simulação. Figura 21 Interface gráfica da simulação, desenvolvida em Slick 2D. A Figura 21 mostra um instantâneo de uma simulação realizada na interface gráfica da arquitetura, onde: a) Círculos vermelhos: representam objetos redfruit (Nutriente 1), que possuem 0,1 calorias; b) Círculos verdes: representam objetos greenfruit (Nutriente 2), que possuem 0,2 calorias;

40 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 27 c) Círculo Azul: representa um brinquedo toy; d) Círculo amarelo com faixa preta: representam objetos cactus; e) Triângulo cinza: representa objetos nut que possuem 0,0 calorias e não regulam a fome da criatura;; f) Círculo azul com setor azul calro: Criatura artificial. A criatura artificial tem o corpo da cor azul e o setor vermelho representa a boca (na Figura 21 está representado na cor azul claro, pois a criatura está salivando), o círculo branco, que envolve totalmente a criatura, representa seu campo olfativo e o setor de círculo mais externo representa o seu campo visual. Além disso, quando a boca da criatura muda para a cor azul e o corpo para rosa, evidencia que a mesma esta salivando ou tomando um choque, respectivamente, em ambos os casos trata-se de exibição de respostas reflexas inatas à criatura Persistência de dados da simulação Para fins de extração de dados dos experimentos computacionais, foi inserida na arquitetura uma camada de persistência de dados. Esta utiliza a tecnologia JPA (Java Persistence API), por meio da qual, os dados são persistidos em um host específico que contém um sistema de gerenciamento de banco de dados PostgreSQL. Esta camada persiste todos os dados do experimento que forem solicitados pelo pesquisador O "core" da arquitetura Artífice Responsável por toda a dinâmica interna e externa da criatura artificial, o core da arquitetura Artífice gerencia as threads, possibilitando a comunicação tanto entre os sistemas internos do corpo da criatura como com o meio em que vive. Ele é o responsável pela implementação de todo o sistema cognitivo e não cognitivo da criatura, e também pela implementação do ambiente e seus componentes. Ele ainda é responsável por gerenciar todos os dados das simulações e enviá-los para serem persistidos. 3.2 Sobre a modelagem e implementação dos gêneros e do sistema reprodutor A modelagem proposta pretendeu abstrair os conceitos do referencial teórico ligado a reprodução sexuada e, consequentemente, da produção por junção (ver Capítulo 2). Uma das principais características modeladas foi a distinção de gêneros (feminino/masculino), pois até então a criatura artificial era assexuada, impossibilitando o tipo de reprodução escolhido. Na Figura 22, o modelo proposto foi representado em blocos para permitir a visualização das relações entre a arquitetura anterior (ver Capítulo 1) e a nova arquitetura, já incluindo a função de reprodução. Foi criado no corpo da criatura (Sistema Somático) um sistema reprodutor composto pelos orgãos sexuais e foi modificada a avaliação do comportamento de instinto Particularidade da reprodução sexuada Como já foi dito, para realizar a reprodução sexuada é preciso que existam criaturas de ambos os gêneros (feminino e masculino). Ao implementar os gêneros na criatura artificial, foi utilizado uma variável Booleana (True/False), pois temos apenas dois gêneros de criaturas. A criatura artificial fêmea (Female) foi considerada como False e, consequentemente a criatura artificial do gênero masculino (Male) foi considerada True. Além do gênero, há alguns traços da reprodução sexuada que deverão ser modelados para que se torne possível observar o fenômeno da reprodução. Primeiramente foi modelado o sistema reprodutor

41 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 28 Figura 22 Diagrama de bloco da versão 1.4 da arquitetura, com a reprodução já incorporada ao bloco do sistema somático (ReproductiveSystem), sendo que nele estão contidos os órgãos sexuais masculino (MaleReproductiveOrgan) e feminino (FemaleReproductiveOrgan). A Figura 23, apresenta o diagrama de classes com a implementação dos orgãos reprodutores da criatura. Figura 23 Diagrama de classes do sistema reprodutor das criaturas artificiais em relação ao gênero. A reprodução da criatura artificial acontece basicamente dentro do sistema reprodutor e dos orgãos reprodutores. Na próxima seção, será visto passo a passo da implementação da reprodução. Nenhum animal permanece apto para a reprodução durante toda a sua vida. Normalmente há um

42 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 29 período inicial em que ele não é fértil, seguido por um período (ou ciclos) no qual ele passa ser fértil e, ao final de sua vida ele volta a ser infértil. Em nosso modelo, assim como acontece com os mamíferos, a criatura artificial do sexo masculino, após atingir a maturidade sexual, como indicada na Figura 24 por T mi, estará apta para a reprodução, até o momento que a mesma perca sua capacidade reprodutiva, indicada pelo instante T mf. Figura 24 Nível de fertilidade da criatura artificial do gênero masculino ao longo do tempo Já a fêmea, após seu nascimento em T 0 (vide Figura 25), ela atinge a sua maturidade sexual em T fi após este instante ela é fértil até o instante T ff. Durante o intervalo T fi T ff a fêmea apresentará, periodicamente, ciclos onde ela ficará fértil durante um intervalo de tempo T cf, seguidos por periodos de duração T ci que ela será infértil. A fêmea, ao ser fecundada, imediatamente altera seu nível de fertilidade, indicando que não pode mais ser fecundada. Isso ocorre independente do seu ciclo de fertilidade. O período fértil de uma criatura do sexo feminino, assim como na criatura de gênero masculino, será ativado a partir de sua maturidade sexual, que terá início no instante T fi. Posteriormente, no instante T ff, a fêmea perde sua capacidade reprodutiva. A duração do ciclo reprodutivo da fêmea após a maturidade sexual pode ser escrito como T c = T cf + T ci, onde T cf = período de tempo do ciclo em que a fêmea está fértil e T ci = período de tempo do ciclo em que a fêmea está infértil. De acordo com Behr et al. (2009), a partir do momento em que a fêmea está em seu período fértil ela exala e/ou libera uma substância química denominada feromônio (PheromoneStimulus). Este hormônio poderá desencadear no macho o comportamento instintivo de reprodução; como toda ação instintiva a primeira reação da criatura macho será de se aproximar da fêmea e ao fazer isso, fará surgir novas affordances, a partir das quais o mecanismo de seleção de ação da criatura poderá, então escolher a ação mais adequada naquele momento, eventualmente a ação de cópula. No modelo aqui desenvolvido, restringimos-nos a tratar apenas um tipo de feromônio dentre tantos existentes: aquele relacionado à atração sexual. Outras simplificações do modelo são: a) O feromônio da fêmea apenas tem efeito sobre machos da mesma espécie; b) A fêmea apenas libera o ferômonio em seu período fértil, portanto, poderá acasalar apenas neste período. c) O macho estará apto para a cópula assim que iniciar sua maturidade sexual e perderá esta aptidão ao término da mesma. Terá ciclo único de maior duração;

43 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 30 Figura 25 Nível de fertilidade da criatura artificial do gênero feminino ao longo do tempo d) O macho será o único gênero estímulado pelo feromônio; e) O orgão reprodutor masculino e feminino é a única distinção entre as criaturas de gêneros diferentes, até o momento A dinâmica associada à reprodução Ao se propor a implementação da reprodução sexuada em uma criatura artificial, deve-se inspirar no referencial teórico. Para tanto, inspirados no referêncial teórico (ver capítulo 2), foi dividido a reprodução em 4 fases distintas que será descrito nas subseções seguintes Etapa de Aproximação Para que a reprodução aconteça, primeiramente as criaturas devem se aproximar. Entretanto, algum fator deve desencadear essa aproximação. Como já foi visto neste capítulo as criaturas possuem o período fértil (em que está apta para se reproduzir). Na criatura do sexo masculino (Male), este período é iniciado depois de um certo tempo de vida; já na do sexo feminino (Female), se iniciará depois de um certo tempo de vivência, e logo após será bloqueado e disparado ciclicamente ao longo de sua existência. Assim, ao entrar no período fértil, a criatura fêmea libera o hormônio feromônio (Pheromone) e continua liberando até que algum macho a toque ou seu período fértil termine. Ao sentir o feromônio, no atual momento da implementação, apenas a criatura macho se sentirá estimulada, e este estímulo será de uma possível aproximação. Como vimos no capítulo anterior, para que haja a aproximação, o feromônio passa por um ciclo e a resposta a esse ciclo, dependendo da emoção que estiver mais desregulada, será o de aproximar ou não da fêmea, ou seja, dependendo do nível de arousal, já estudado na introdução, as affordances serão escolhidas. E, uma das affordances poderá ser a de aproximar e, consequentemente, tocar Etapa de cópula Caso haja a aproximação, as criaturas deverão se tocar, e é neste passo que será caracterizada a cópula.

44 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 31 A cópula, neste caso, se resumi ao toque entre uma criatura macho e fêmea, em um momento em que ambas estejam aptas a se reproduzirem, ou seja, estejam em seu período fértil. Até o momento a criatura artificial não possui características físicas, codificadas em genes; o que elas aprendem ao longo de suas vidas são experiências valoradas emocionalmente que são registradas em sua memória de longo prazo. Assim, os traços que serão herdados são as memórias de longo prazo com maior intensidade emocional. O foco deste trabalho é o mecanismo de reprodução e não o mecanismo de herança, o qual requer o primeiro mas, todavia, deverá ser aprimorado no futuro. Durante a cópula, será selecionada aleatoriamente a metade da memória de longo prazo de ambas as criaturas. Essa memória selecionada será convencionalmente chamada de "material genético" Etapa de fecundação A fecundação acontece em consequência direta da cópula. Neste momento, a criatura artificial macho seleciona a metade de sua memória de longo prazo aleatoriamente. Essa seleção será considerada como o "material genético" (GenStimulus) que é repassado para a fêmea. A partir do momento em que a fêmea recebe esses genes (GenStimulus), fato que será considerado como a fecundação, ela também seleciona aleatoriamente a metade de sua memória, e a seguir une os dois "materiais genéticos" Etapa de gestação e nascimento A partir da união dos "genes", uma nova criatura artificial está pronta para ser gerada. O gênero da criatura filha é escolhido aleatoriamente. Uma vez escolhido o gênero da criatura filha, ela é criada (como um objeto de software) e inserida em uma posição no mundo artificial. Após o quê, ela "começa" a viver e interagir com todos os objetos e criaturas do mundo A resposta instintiva Até o momento, a resposta instintiva que a criatura artificial possui é a reprodução. A Figura 26 deixa claro como o feromônio age internamente em uma criatura artificial do sexo masculino. Para informações mais detalhadas sobre as classes deste processo, ver Capítulo 1 e suas referências. O ferômonio é percebido pelo nariz (Nose) da criatura sendo transduzido em um estímulo olfativo (IntStiSmell), este é recebido pelo sensor olfatório (OlfactorySensor) que, em resposta, produz um estímulo reprodutivo (IntStiReproductive). Tal estímulo nervoso percorre todo o eixo neural num movimento ascendente e estimula as áreas subcorticais, responsáveis pela função emocional. Numa leitura específica, a avaliação parcial (PartialApraissal) o transforma em duas respostas: 1. a primeira será um estímulo adrenérgico (IntStiAdrenergic) que será encaminhado ao sistema simpático (SympatheticSystem) que, por sua vez o modifica em um estimulo simpático (IntStiSympathetic). Este será conduzido ao efetor muscular (MuscularEffector), que libera um estímulo muscular (IntStiMuscular). Este o direciona para o corpo (Body), solicitando que a criatura se aproxime. 2. a segunda resposta será emocional (IntStiEmotional) e será encaminhada para a avaliação completa (FullAppraisal) do cérebro. Ao passar por esta, a criatura, utilizando seus mecanismos dinâmicos para seleção da ação (MAPA, 2009), decidirá se continua indo em direção à fêmea ou se desiste de se aproximar, por haver algum motivo. Para tanto, ela emite um estímulo colinérgico (IntStiCholinergic) para o sistema parassimpático (ParasympatheticSystem), informando se deve bloquear ou não a aproximação. O sistema parassimpático transforma o estímulo colinérgico

45 Capítulo 3. Modelagem e implementação do processo reprodutivo em criaturas artificiais 32 Figura 26 Cadeia de estímulos internos gerada em resposta à olfação de um feromônio no ambiente, por uma criatura macho. em parassimpático (IntStiParasympathetic), que informa a ação ao efetor muscular (MuscularEffector) que, posteriormente, passa a ação ao corpo(body). Caso a resposta seja positiva, a criatura artificial macho vai ao encontro da criatura fêmea; caso seja o primeiro a tocá-la ocorrerá a cópula, tendo em vista que o nivel de arousal foi colocado mais alto do que os de mais, pois a reprodução é uma ação instintiva. No próximo capítulo, serão descritos os experimentos computacionais visando avaliar o funcionamento da nova arquitetura.

46 33 4 Experimentos Computacionais Este capítulo apresenta uma análise e discussão dos experimentos realizados com o intuito de avaliar o comportamento da criatura influenciada pelo fenômeno da reprodução, assim como avaliar as modificações realizadas na arquitetura cotejando os resultados como aqueles obtidos nos trabalhos anteriores que utilizaram a versão 0.9 e da aplicação ALifeWorld. 4.1 Experimentos computacionais preliminares Visando comprovar que a refatoração da arquitetura não introduziu falhas nem tão pouco causou danos para os resultados já obtidos, foram replicados alguns dos experimentos feitos em trabalhos anteriores. Mais especificamente foram refeitos experimentos referentes ao condicionamento clássico, condicionamento operante e os experimentos envolvendo a memória de longo prazo. Para a realização dos experimentos referentes ao condicionamento clássico e operante foi utilizada a configuração da arquitetura AlifeWorld 0.9. O ambiente é formado por 880 x 470 posições. Para os experimentos o tamanho dos componentes de software adotados foram os propostos por Silva (2008) foram: a) Nutrient1 => Maçã verde => 20 pixels b) Nutrient2 => Maçã vermelha => 15 pixels c) Stone => Pedra => 10 pixels d) Bee => Toténs => 15 pixels e) ASCS => Criatura artificial => 20 pixels O computador utilizado para os experimentos possui a seguinte configuração de hardware: um processador Intel i5 com 3.20 GHz de clock, 8 GB ce memória RAM, sitema operacional MS-Winsdows 64bits Experimentos envolvendo condicionamento clássico Os níveis de condicionamento clássico podem variar em duas situações, a aquisição que acontecerá quando os estímulos neutros (no caso, estímulo visual emitido pelos objetos do mundo) e o estímulo nãocondicionado (estímulo olfativo emitido pela Maçã ou estímulo de choque elétrico emitido pelo Totén) são apresentados emparelhados, ou seja, são emitidos no mesmo instante; e a extinção que se dará quando for emitido apenas um estímulo neutro ou um estímulo não-condicionado. Segundo Silva (2008), os experimentos envolvendo o condicionamento clássico visam comprovar que a criatura artificial é capaz de criar um repertório comportamental básico associando estímulos neutros do ambiente a estímulos não-condicionados que disparam automaticamente respostas reflexas definidas no primeiro nível temporal de resposta da criatura. Uma vez forjado o condicionamento (associação entre os estímulo neutros e não-condicionado), assim que a criatura recebe um estímulo visual emitido pelos nutrientes a boca emite uma resposta reflexa de salivação. A equação que determina a intensidade do condicionamento é dada por:

47 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 34 V new = V old + ΔV onde V = intensidade do acoplamento ou da associação entre um estímulo não-condicionado e um estímulo condicionado; ΔV = valor de incremento de V a cada experiência ocorrida. Após uma nova experiência, o novo valor da associação V new será o valor da antiga associação V old ajustado com o valor de alteração calculado dado por: ΔV = αβ(λ V old ) onde: α = o nível de atenção despertado pelo estímulo, podendo variar entre 0 a 1. β = o peso do estímulo não-condicionado na variação da taxa do condicionamento. O seu valor pode variar de 0 a 1, influenciando diretamente na taxa de crescimento ou decaimento do nível de condicionamento. λ = o valor máximo da taxa de condicionamento, isto é, o valor que será atingido assintoticamente. Para os experimentos Silva (2008) adotou os seguintes valores de α, β e λ: Durante a aquisição: α = 0, 5 β = 1 e λ = 100 Durante a extinção: α = 0, 5 β = 0, 7 e λ = 0 Ao realizar os experimentos com a nova organização da arquitetura foi preciso revisar os valores de β, para que se reproduzisse os resultados anteriores obtidos por Silva (2008). Pois como a arquitetura Artífice pertence a teoria não-objetivista qualquer modificação feita em sua estrututra causa danos aos resultados já encotrados anteriormente. Os novos valores adotados foram: Durante a aquisição: α = 0, 5 β = 0, 15 e λ = 100 Durante a extinção: α = 0, 5 β = 0, 02 e λ = 0 A seguir, será feita uma comparação entre os resultados obtidos por Silva (2008) e os experimentos refeitos com a nova organização da arquitetura e os novos valores dos parâmetros. Os experimentos do condicionamento clássico foram realizados em condições naturais, com 10 maçãs vermelhas, 10 maçãs verdes, 10 pedras e 10 abelhas. O experimento foi realizado com apenas uma criatura artificial no ambiente e foram repetidos 10 vezes. Os resultados a seguir referem-se à média de todas as execuções do experimento. Cabe ressaltar que as inúmeras alterações realizadas na arquitetura afetam sobremaneira a dinâmica de troca de estímulos e acaba por refletir na taxa efetiva de aquisição e extinção do condicionamento, pois estamos tratando de um projeto com embasamento não-objetivista, como foi explicado no primeiro capitulo deste trabalho.

48 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 35 Figura 27 Condicionamento clássico para o objeto pedra. Fonte:Silva (2008) Figura 28 Condicionamento clássico para o objeto pedra, na versão atual da arquitetura. Figura 29 Condicionamento clássico para o objeto maçã verde. Fonte:Silva (2008) Uma inspeção nos gráficos para cada objeto - na versão original e na versão atual da arquitetura, respectivamente nas Figuras 27 e 28, 29 e 30, 31 e 32 - permite verificar que o condicionamento é forjado adequadamente, em condições naturais. Pequenas diferenças nos gráficos dos experimentos são esperados, visto que os objetos são distribuídos no ambiente de forma aleatória a cada execução da simulação.

49 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 36 Figura 30 Condicionamento clássico para o objeto maçã verde, na versão atual da arquitetura. Figura 31 Condicionamento clássico para o objeto maçã vermelha. Fonte:Silva (2008) Figura 32 Condicionamento clássico para o objeto maçã vermelha, na versão atual da arquitetura Experimentos envolvendo condicionamento operante Enquanto o condicionamento clássico trata de ações involuntárias, o condicionamento operante trata de ações voluntárias. Tal mecanismo permite ao agente forjar padrões de comportamento decorrentes das

50 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 37 consequências advindas da execução de suas ações no ambiente, aumentando a ocorrência futura de ações que tenham levado a consequências apetitivas e diminuindo a ocorrência de ações que tenham levado a consequências aversivas.(silva, 2008) O processo começa quando algum dos sensores da criatura artificial recebe um estímulo vindo de um componente existente em seu ambiente. Para cada ação a ser selecionada, a criatura recorre a episódios vivenciados para decidir qual ação é a mais adequada para aquele objeto. Cada componente de software pertencente ao mundo possui affordances que caracterizam as possíveis ações a serem executadas em um determinado instante. Na tabela 2 pode-se verificar as affordances para cada componente. Tabela 2 Affordances consideradas na aplicação. A preparação para o experimento consistiu em distribuir 30 maçãs vermelhas aleatoriamente pelo mundo, foi feita a repetição de cada experimento 20 vezes. Os gráficos a seguir apresentam os valores médios das grandezas para todas as 20 execuções do experimento. Os experimentos foram realizados para três níveis distintos de condicionamento operante: baixo, médio e alto (ver 3). Nível de condicionamento inicial Probabilidades de seleção das ações approach = 25% Baixo avoid = 25% eat = 25% sleep = 25% approach = 40% Médio avoid = 20% eat = 20% sleep = 20% approach = 70% Alto avoid = 10% eat = 10% sleep = 10% Tabela 3 Nível de condicionamento operante inicial para os experimentos. A Figura 33 mostra que o comportamento da criatura artificial é influenciado pelo nível de condicionamento operante inicial a que a criatura é submetido. Quanto maior a probabilidade da criatura selecionar a ação aproximar, maior é a probabilidade da criatura interagir com as maçãs vermelhas. Para encontrar e comer uma quantidade determinada de maçãs,a criatura despende cada vez menos tempo, à medida que seu nível inicial de condicionamento aumenta. Analisando as Figuras 33 e 34, pode-se ver que os resultados são compatíveis, indicando que as alterações na arquitetura não causaram danos no mecanismo de condicionamento operante. No experimento, como a criatura artificial interage com as maçãs vermelhas e recebe uma consequência prazerosa por isso, as probabilidades das suas ações vão sendo moduladas. Isso é o que ilustra as Figuras

51 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 38 Figura 33 Tempo médio para a criatura artificial encontrar e comer maçãs para 3 níveis iniciais distintos de condicionamento operante. Fonte: Silva (2008) Figura 34 Tempo médio para a criatura artificial encontrar e comer maçãs para 3 níveis iniciais distintos de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura. 35, 36, 37, 38, 39 e 40. Uma sendo reforçada (eat) e outra sendo inibida (avoid/sleep), enquanto que a ação neutra (approach) não é nem reforçada e nem inibida. Cabe ressaltar que a taxa de incremento para o condicionamento operante era de 4% e ao ser analisado o comportamento dos gráficos da alteração das probabilidades das ações para cada nível inicial de condicionamento operante, foi notado que na versão anterior da arquitetura a criatura estava se condicionando demasiadamente rápido. Portanto, diminuimos em 2% o nível de condicionamento para que a dinâmica de condicionamento ficasse mais condizente com o que se observa na literatura específica Condicionamento operante com memória de longo prazo Para a realização do teste de operação da memória de longo prazo foi utilizada a mesma configuração dos experimentos com o condicionamento operante. Nesses experimentos, o que deve ser observado é se a modelagem da formação de memória de longo prazo contribui para que a criatura seja mais efetiva em suas interações com os objetos do mundo. Os gráficos referentes as memórias experienciais mostram que quando o nível de condicionamento inicial é baixo, o número de memórias formadas é fundamental para a eficiência da criatura. O tempo médio de interação com um nível de condicionamento operante inicial médio é menor do que o gasto no

52 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 39 Figura 35 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 33 com condicionamento inicial baixo. Fonte: Silva (2008) Figura 36 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 34 com condicionamento inicial baixo. Figura 37 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 33 com condicionamento inicial médio. Fonte: Silva (2008) caso do condicionamento operante inicial baixo. E a dependência da memória formada se torna um pouco menor pois em alguns pontos pode-se observar que o tempo em que a criatura interage com o objeto é o

53 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 40 Figura 38 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 34 com condicionamento inicial médio. Figura 39 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 33 com condicionamento inicial alto. Fonte: Silva (2008) Figura 40 Reforçalização das probabilidades de seleção das ações no experimento relativo à Figura 34 com condicionamento inicial alto. mesmo nos dois casos. O resultado do experimento com condicionamento alto é similar ao obtido com o nível de condicionamento operante médio, pois neste as criaturas também já possuem desde iníco maior

54 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 41 Figura 41 Tempo médio para um nível baixo de condicionamento operante para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Fonte: Mapa (2009) Figura 42 Tempo médio para um nível baixo de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 43 Tempo médio para um nível médio de condicionamento operante para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Fonte: Mapa (2009) probabilidade de se aproximarem dos objetos, e portanto, têm maior probabilidade de interação. Portanto, como pode ser observado os gráficos dos trabalhos anteriores, são qualitativamente similares

55 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 42 Figura 44 Tempo médio para um nível médio de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Figura 45 Tempo médio para um nível alto de condicionamento operante para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos Fonte: Mapa (2009) Figura 46 Tempo médio para um nível alto de condicionamento operante, na versão atual da arquitetura para a criatura artificial (com e sem memória experiencial) interagir com os objetos àqueles obtidos nos experimentos realizados com a nova arquitetura. Durante os experimentos, como já mencionado, foram feitos ajustes para a adequação da nova refato-

56 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 43 Figura 47 Tempo médio para a criatura artificial com memória interagir com os objetos. ração da arquitetura, assim foram obtidos gráficos que permitem afirmar que a arquitetura estava apta para novos experimentos. Isso nos deu a necessária confiança para prosseguir nos experimentos envolvendo a reprodução de criaturas, principal contribuição deste trabalho. 4.2 Experimentos Reprodução Como foi dito anteriormente, a realização dos experimentos, descritos na Seção 4.1, serviu ao próposito de assegurar que as amplas refatorações implementadas na arquitetura, não introduzissem falhas e nem tampouco distorssem os resultados produzidos pelas versões anteriores. Isto dito, para a realização dos experimentos envolvendo a reprodução foi utilizada a versão Artífice 1.4, a versão atual da arquitetura. O mundo artificial foi aumentado para acomodar as criaturas e 100 nutrientes. Assim, o mundo foi dimensionado para 1020 x 780 pixels. Para a nova versão do projeto Artífice os componentes foram renominados e o tamanho deles para essa nova versão é: a) RedFruit => Maçã vermelha => 8 pixels; b) GreenFruit => Maçã verde => 10 pixels; c) Nut => Noz => 10 pixels; d) Cactus => Toténs => 10 pixels; e) Toy => Brinquedo => 8 pixels; f) Criatura artificial => 30 pixels. O computador utilizado para realizar os experimentos foi o mesmo mencionado no início da Seção 4.1. Os experimentos envolvendo o mecanismo de reprodução e filogenia visam comprovar que a criatura artificial é capaz de se reproduzir, e assim gerar criaturas mais aptas para se adaptar e interagir com os objetos do mundo, o que possivelmente, acarretará em um tempo de vida maior. Lembrando que as criaturas irão formar memória de longo prazo durante sua vida e, a partir daí, elas as usarão para auxiliar a seleção de ações a serem feitas em cada momento e situação específica. Assim, a criatura irá aprimorar seu mecanismo de seleção de ações, de modo a escolher ações que ela espera (por meio de seu

57 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 44 sistema de expectativas) que lhe traga maior benefício, no que diz respeito à sua regulação homeostática e emocional. Considerando que os seus descendentes herdam 50% da memória de longo prazo de cada um de seus progenitores, espera-se que os descendentes apresentem um pouco mais de facilidade/capacidade de adaptação ao ambiente, afinal, os descendentes não nascerão com uma memória "vazia", mas já com algumas memórias experiênciais e, como pode ser visto, estas atuam como guias para o mecanismo de seleção de ações. Apenas para recapitular, o ciclo para a reprodução da criatura, está divido para os dois gêneros: i) Fêmea: quando entra no ciclo fértil libera ferômonio. Se algum macho a tocar, e este também esta no seu periodo fértil, a fecundará. Então ela recebe a metade da memória, aleatoriamente, selecionada pelo macho, promovendo a junção com a metade de sua própia memória, também aleatoriamente selecionada, e gera uma nova criatura no mundo, cujo o gênero será escolhido aleatoriamente. ii) Macho: o macho ao entrar no ciclo fértil, ao receber o estímulo do ferômonio passará por uma seleção de suas affordances, podendo ir ao encontro da fêmea. Caso a toque ele a fecundará, transmitindo-lhe 50% de suas memórias de longo prazo, selecionadas aleatoriamente. O experimento foi composto de 100 maçãs verdes, 9 criaturas artificiais, sendo 3 do sexo masculino (male) e 6 do sexo feminino (female), este número de criaturas foi o ideal para os experimentos feitos, pois o computador que foi realizado o experimento não suportou um número maior de criaturas. As criaturas não foram, antes de libertadas no mundo, submetidas a nenhum tipo de modelagem de comportamento (c.f. (SILVA, 2008)). Significa dizer que elas não tinham nenhum nível inicial de condicionamento. Tanto as criaturas quanto os nutrientes foram posicionados de forma aleatória, com distribuição uniforme, no mundo a cada simulação. Os nutrientes comidos foram repostos em posições aleatórias, evitando assim que os alimentos se extinguissem e as criaturas morressem por fome. Foram realizados 15 execuções dos experimentos. Denominamos de 1 a geração de criaturas artificiais, as criaturas que foram colocadas no mundo artificial ao se iniciar o experimento; 2 a geração são as criaturas cujos progenitores são da primeira geração; 3 a geração designa as criaturas que descendem de pelo menos um progenitor da 2 a geração (o outro pode ser da 1 a geração). A Tabela 4 apresenta dados quantitativos sobre os descendentes referentes aos experimentos relativos a reprodução. Tabela 4 Dados quatitativos referentes aos descendentes relativo aos experimentos com a reprodução. Já a Tabela 5 apresenta o mapa genealógico das criaturas artificiais a partir do identificador único de cada criatura. Na tabela 5, a 1 a geração é representada pela cor azul, não foram colocados todos as criaturas da 1 a geração, apenas as que se reproduziram, a 2 a geração pela cor rosa, a 3 a geração pela cor verde e a 4 a geração pela cor lilás.

58 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 45 Tabela 5 Genealogia das criaturas artificiais para cada uma das execuções do experimento. Para avaliar se a herança da memória de longo prazo efetivamente contribui para uma maior adaptabilidade dos descendentes, foi mensurado o tempo de vida médio das criaturas a cada geração. O resultado pode ser visto na Figura 48. Figura 48 Tempo de vida médio para as criaturas artificiais de cada geração. Podesse observar na Figura 48 que o tempo médio de vida de cada geração vai aumentado progressi-

59 Capítulo 4. Experimentos Computacionais 46 vamente. No entanto, aparentemente apresentando uma saturação, indicando que o tempo de vida médio não aumenta indefinidamente. Na 1 a geração o tempo de vida médio das criaturas é de ms; a média dos tempos de vida da 2 a e 3 a gerações foi bem próximo, a 2 a geração teve um tempo de vida médio de ms enquanto que na 3 a geração este tempo foi de ms. A 4 a geração aconteceu apenas duas das 15 execuções realizadas, o tempo de vida médio foi de ms. A Figura 48 deixa claro que um dos objetivos da pesquisa, que era comprovar que o tempo de vida ao longo das gerações aumenta devido à herança das experiências vivenciadas por seus ascedentes, está de acordo com a hipótese feita inicialmente. Para avaliar se a presença de memória herdada de seus pais, a herança filogenética, contribui para que a criatura interaja mais eficazmente com os objetos do mundo artificial, neste caso com os nutrientes, foi mensurado o número de experiências em função do tempo. o resultado é apresentado na Figura 49 para a 1 a, 2 a e 3 a gerações. A 4 a geração não foi plotada visto que ocorreu em apenas 2 experimentos, poisas criaturas vão envelhecendo e morrendo por alguma causa ou, simplesmente perdem a sua capacidade reprodutiva. Figura 49 Tempo médio para as criaturas artificiais da i-nésima geração encontrem e comam nutrientes. Na Figura 49 é possivel observar que cada geração, diminue o tempo médio para que as criaturas naveguem, encontrem os nutrientes e os comam. Estes resultados corroboram a hipótese inicial de que a memória herdada contribui para a melhor eficiência da criatura em localizar, navegar e comer. Este resultado já era o esperado, pois enquanto na 1 a geração as criaturas nascem como "tabula rasa", nas gerações seguintes isso não ocorre. Por fim, confrontamos a perfomance das criaturas com a performance de seus progenitores. Para tanto, dentre os descendentes gerados nas 15 execuções do experimento, um foi sorteado aleatoriamente. A familia escolhida pertence ao 8 o experimento, os pais pertencem a primeira geração de criaturas, portanto o descendente pertence a 2 a geração. A Figura 50 mostra o tempo médio para cada criatura localizá-los, navegar até os nutrientes e comêlos. Como esperado o filho foi mais eficiente que os pais nesta tarefa. 4.3 Considerais Finais Os resultados referentes ao condicionamento clássico, condicionamento operante e memória de longo prazo após alguns ajustes foram satisfátorios para o prosseguimento das pesquisas referentes ao projeto