Desenvolvimento de um Mecanismo Atencional-Motivacional-Emocional para Organismos Artificiais: uma abordagem a partir da cognição situada

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1 Daniela Costa Terra Desenvolvimento de um Mecanismo Atencional-Motivacional-Emocional para Organismos Artificiais: uma abordagem a partir da cognição situada Belo Horizonte MG Dezembro de 2007

2 Daniela Costa Terra Desenvolvimento de um Mecanismo Atencional-Motivacional-Emocional para Organismos Artificiais: uma abordagem a partir da cognição situada 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. Linha de Pesquisa: Sistemas Inteligentes Orientador: Prof. Dr. Paulo Eduardo Maciel de Almeida Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Co-orientador: Prof. Dr. Henrique Elias Borges Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais MESTRADO EM MODELAGEM MATEMÁTICA E COMPUTACIONAL CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO Belo Horizonte MG Dezembro de 2007

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

4 Dedico este trabalho ao meu pai, a quem devo o mérito desta realização. À minha mãe pelo apoio incondicional que sempre ameniza e me instiga a acreditar em mim e lutar pelas minhas aspirações, a quem devo a sugestão acertada de me inscrever neste programa.

5 Agradecimentos A Deus e à Virgem Maria. Ao meu orientador, Prof. Dr. Paulo Eduardo Maciel de Almeida, pelas sugestões, pelas críticas produtivas, pela confiança e por ter me transmitido uma liberdade e uma tranqüilidade extras para realizar este trabalho. Ao meu co-orientador, Prof. Dr. Henrique Elias Borges, pela atenção e, especialmente, por uma sensibilidade e uma capacidade singular para o ofício de professor, cujo convívio me motivou desde o início a uma auto-confiança que fez suscitar em mim um gosto especial pela pesquisa. Aos meus irmãos, Marcos e Sérgio, pelo incentivo e pelo carinho de sempre. Ao Laboratório de Sistemas Inteligentes (LSI) do CEFET/MG pelos recursos oferecidos que facilitaram o desenvolvimento deste trabalho. À FAPEMIG pelo apoio financeiro individual recebido. Ao CNPq pelo apoio financeiro via projeto ARTÍFICE, do qual este trabalho faz parte.

6 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Abreviaturas e Siglas Resumo Abstract 1 Introdução p Ciências cognitivas e sistemas inteligentes p O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção... p A evolução do projeto ARTÍFICE p Escopo do trabalho de pesquisa p Objetivos e metodologia p Organização da dissertação p Sobre o estado da arte e a versão Artifice p Alguns trabalhos na área de pesquisa de organismos artificiais bioinspirados p Sobre a arquitetura ARTÍFICE versão p Algumas abstrações relevantes p A percepção-em-ação na versão ARTÍFICE p Um ASCS a partir da versão ARTÍFICE p. 59

7 3 Sobre as emoções, os afetos de bases biológicas e suas relações com o fenômeno cognitivo p O mecanismo motivacional-emocional e conceitos pertinentes.... p O papel das emoções no processo cognitivo p Classificação das emoções e afetos em bases biológicas p A seleção dos grupos neuronais p Da biologia para a modelagem de organismos artificiais p Modelagem e aspectos da implementação do mecanismo AME p Os conceitos pertinentes e as implicações ao modelo p Os componentes do mecanismo AME p Os primes artificiais e o componente AME p O contêiner AME p O mecanismo de RI p Definição das correlações SM p Definição das tendências inatas de comportamento. p Ajustes no MP das correlações SM p Emergência de uma correlação SM p O mecanismo atencional p A operação do mecanismo AME p Experimentos computacionais p O ambiente de testes ALifeWorld2D-AME p Cenários de teste e resultados p As tendências inatas, o comportamento emocional e a aquisição de experiências p As preferências e a seleção atencional p A extinção do aprendizado p. 135

8 5.2.4 Sobre a verificação da operação interna e do comportamento dos ASCS p Conclusão p Análise dos resultados p O mecanismo AME no contexto dos modelos computacionais existentes p Limitações do modelo proposto p Principal contribuição deste trabalho de pesquisa p Perspectivas de trabalhos futuros p. 147 Referências p. 149

9 Lista de Figuras 1 Um ser vivo em acoplamento estrutural com o seu ambiente..... p Linha do tempo do projeto ARTÍFICE p Áreas neuronais e suas projeções no Darwin VII p Principais classes da arquitetura ARTÍFICE versão p Percepção-ação em ArtificialWorld, versão Artifice p Percepção-em-ação no ASCS p Fluxo de controle principal da arquitetura ARTÍFICE p Ciclos emocional e cognitivo em paralelo p Um ASCS-em-seu-ambiente na versão ARTÍFICE p As perspectivas do sistema motivacional-emotional p Sistemas motivacionais-emocionais x sistemas cognitivos p Mapas locais correlacionados - um acoplamento de classificação... p A classificação das emoções segundo Russell p A interdependência entre atenção, motivação e emoção p Modelo conceitual do mecanismo AME para a arquitetura ARTÍFICE. p A configuração de uma estrutura motivacional-emocional p Seleção das correlações SM envolvidas em aprendizado p Uma estratégia de definição do estado AME p Estados globais a partir dos estados locais das estruturas ativas... p Correlação SM influenciada pelo MP dos primes associados..... p Ajuste no MP de SinalizadorDeF ome em uma das correlações SM do ASCS p. 109

10 22 Ajuste atencional dos primes intermediado pelos sensores nervosos. p O mecanismo AME em operação nos ASCS p ASCS e componentes de software no mundo artificial p Transições de estado das estruturas cognitivas p Interface da aplicação ALifeWorld2D-AME p Tendência de aproximação e reação reflexiva p Incorporação das experiências para a auto-regulação p Correlações SM com o MP alterado pelo aprendizado p Fim do acoplamento estrutural entre ASCS e mundo artificial..... p Experiências adquiridas nas interações com diferentes entes..... p Mudanças na atenção modulando o comportamento (trajetória) do ASCS após diferentes experiências p A ingestão em demasiado resultando em inibição comportamental.. p MP neutro (campo learning) para um aprendizado extinto p Recuperação do aprendizado emocional extinto p A reação emocional deflagrada pelo SinalizadorDeRef lexobateev olta é inata p. 137

11 Lista de Tabelas 1 Estruturas e estados em ALifeWorld2D na versão ARTÍFICE p Aplicação do fator de esquecimento ao histórico dos MP p Os atributos atencionais em ALifeWorld2D-AME p Estruturas cognitivas e estados possíveis para o ASCS do experimentop Componentes sensório-motores para os ASCS do experimento.... p Parâmetros para o SinalizadorDeRef lexobateev olta p Parâmetros para o SinalizadorDeF ome p Parâmetros atencionais aplicados ao SensorDeV isao p. 127

12 Lista de Abreviaturas e Siglas AF Autômatos Finitos AFD Autômatos Finitos Determinísticos AME atencional-motivacional-emocional API Application Programming Interface (interface de programação da aplicação) ARAS Ascending Reticular Activating System (sistema ativador reticular ascendente) ASCS Agente de Software Cognitivo e Situado BAS Behavioral Activation System (sistema de ativação comportamental) BIS Behavioral Inhibition System (sistema de inibição comportamental) BBD Brain-based Device (dispositivos baseados no cérebro) BSB Brain-state-in-a-box CS conditioned stimulus (estímulo condicionado) CSSA Cognitive Situated Software Agent (ASCS) CR conditioned response (resposta condicionada) IA Inteligência Artificial LSI Laboratório de Sistemas Inteligentes ME motivacional-emocional MFB Medial Forebrain Bundle (banda mesocoticolímbica) MP motivational potential (potencial motivacional) PVS Periventricular System (sistema periventricular) RNA Rede Neural Artificial

13 RI reforço/inibição (comportamental) RL readout level (nível de ativação) SM sensório-motor SN Sistema Nervoso TSD Teoria dos Sistemas Dinâmicos TNGS Theory of Neuronal Group Selection (Teoria de Seleção dos Grupos Neuronais) UR unconditioned response (resposta não-condicionada) US unconditioned stimulus (estímulo não-condicionado) UML Unified Modeling Language

14 Resumo As constatações de que o fenômeno emocional é um componente essencial à cognição dos seres vivos têm influenciado a concepção de sistemas inteligentes, a ponto de se considerar se há a possibilidade de construir inteligência artificial sem incluir o papel das emoções em software. Nesta vertente, este trabalho propõe um modelo de um mecanismo afetivo para uma arquitetura de construção de agentes de software, denominada ARTÍFICE. Tal arquitetura, em estágio de desenvolvimento, utiliza as técnicas da inteligência computacional, porém, fundamenta-se nos princípios da cognição situada para conceber sua modelagem computacional de modo a não incluir representações de ambiente. No contexto de sistemas biologicamente inspirados, o modelo proposto baseou-se numa abordagem bottom-up, a partir da Biologia, para conceber os componentes afetivos associados ao sistema nervoso dos agentes. Este mecanismo, que inclui considerações quanto aos aspectos atencionais e motivacionais, visa reproduzir, em software, as funções adaptativas e de valor de sobrevivência que representam os sistemas afetivos para o desenvolvimento cognitivo dos seres vivos. Emoção, motivação e atenção são considerados aspectos interdependentes e inerentes ao fenômeno cognitivo, em todos os episódios de percepção-ação do agente. A metodologia de trabalho incluiu iterações nas atividades de seleção das abstrações para o modelo a partir das teorias utilizadas, a modelagem de projeto de software do mecanismo à arquitetura ARTÍFICE e a definição de uma aplicação de testes, derivada desta última, para verificar os resultados. O modelo permite fazer configurações importantes para a definição de um mecanismo afetivo especializado à aplicação. Nos testes, o mecanismo se mostrou adequado para permitir aos agentes sua adaptação ao ambiente, de acordo com as estruturas afetivas que lhe foram incorporadas em tempo de construção. Dada a motivação induzida por estas estruturas o agente pôde adquirir um aprendizado de auto-regulação a partir de sua interação com outras entidades de software presentes no ambiente, porém, cabe ressaltar, sem ter sido, previamente, embutido de dados acerca dessas entidades e das circunstâncias presentes no mundo artificial da aplicação. Ao se considerar os efeitos dos estímulos ambientais, as experiências adquiridas ao longo de sua vida, a extinção dessas experiências pelo esquecimento e a possibilidade de uma rápida recuperação das mesmas, verificou-se que o agente se comportou de maneira coerente, em cem por cento dos experimentos. Dentre as sugestões de continuação deste trabalho se destacam a expansão do mecanismo atencional desenvolvido e a adaptação do mecanismo afetivo, como um todo, para uma versão da arquitetura que ofereça suporte a uma percepçãoação assíncrona e paralela aos moldes da dinâmica cerebral subjacente à cognição biológica. PALAVRAS-CHAVE: Agentes Baseados em Emoções; Sistemas Bio-Inspirados; Agentes Cognitivos; Cognição Situada; Cognição Incorporada.

15 Abstract In recent years, an increasing number of experimental evidences concerning the relevancy of emotional phenomena to the cognitive process in living beings have been biasing artificial intelligent systems design, opening a new research territory, the development of robots emotionally driven. Researchers in the field ask whether is possible to build artificial intelligence artifacts without including some emotional designed mechanism into it. That said, this work proposes an affective mechanism to be part of an architecture, called ARTÍFICE, for the creation of bio-inspired software agents. Such framework employs computational intelligence techniques although is relies on situated cognition premises in order to exclude any type of environmental representation into deployed agents. Within the context of biologically inspired organisms, the proposed model is based on a bottom-up approach, starting from biological aspects to conceive affective functional components which are associated with the agent s nervous system. These components includes motivational and attentional aspects of affectivity, trying to reproduce in software those adaptive and survival value functions provided by specific and general purpose affective systems during the living being s cognitive development. Emotion, motivation and attention are considered as entangled and inherent aspects to cognitive phenomena in all perception-action episodes experienced by the artificial organisms. Methodology included iterative work on model abstraction selection from background theories, a software development project to include affective components into ARTIFICE framework and the deployment of a test-bed application to verify expected results. The resulting model includes configuration tasks to define specialized affective mechanisms to some particular application. Many computational experiments were carried out, and in all of them the framework has shown to be adequate, allowing for the artificial organisms instantiated to exhibit the expected behavior: environment adaptation, according to the affective structures that were built into the agents in design time. Agents were able to acquire self-regulated learning, based on induced motivation, from their interaction with other entities in the existing artificial world, without being previously instructed with any kind of information concerning the environment nor its entities. Agents behaved coherently in onde hundred percent of experiments conducted, feeling the environmental stimuli, acquiring experiences during their live times, experiencing extinction of experiences by forgetting as well as fast relearning of those forgot experiences when presented to properly new stimuli from environment. Among the possibilities to continue this work are emphasized the extension of the attentional mechanism developed and the adaptation of the affective mechanism, as a whole, to a version of the architecture with better support to an asynchronous and parallel perception-action mechanism closest to the dynamic of real biological brains. KEYWORDS: Emotional-Based Agents; Bio-Inspired Systems; Cognitive Agents; Situated Cognition; Embodied Cognition.

16 15 1 Introdução 1.1 Ciências cognitivas e sistemas inteligentes As ciências cognitivas situam-se num amplo espaço de investigação sobre o conhecimento, onde participam disciplinas como a lingüística, as neurociências, a psicologia, a filosofia, a antropologia e a inteligência artificial (IA). Esta última constitui um pólo importante como ferramenta para a concepção de modelos que buscam reproduzir as propriedades dos fenômenos mentais. Modelos estes que servem às análises e investigações acerca da operação cerebral ou mental, ou como utilitários em diversos campos de atividade, para ampliar, em aspectos específicos, as capacidades humanas. A tecnologia resultante, por sua vez, atua oferecendo à sociedade um espelho de si mesma sem precedentes, mais influente do que as reflexões que os filósofos, psicólogos e outros estudiosos oferecem sobre o funcionamento da mente. Além disso, as tentativas de aplicação pela engenharia, por vezes frustrantes, dado o contraste entre as expectativas e as possibilidades reais, acabam estimulando aberturas a abordagens alternativas e, assim, a IA segue movimentando toda a área (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003, p , ). O fato da tecnologia (IA) e seus mecanismos e modelos guiar em grande medida as pesquisas sobre a operação do cérebro e a questão da inteligência, em detrimento de abordagens mais biológicas, é um completo contrasenso 1. Nesse âmbito de ciência ainda não fortemente estabelecida, vista como sendo formada por uma agremiação frouxa entre essas disciplinas, distingue-se três estágios sucessivos nas ciências cognitivas, com abordagens distintas para a cognição. O primeiro deles, o cognitivismo, surge a partir de 1956, defendendo que a cognição consiste no processando de símbolos que representam as características do mundo (TERRA; GRANDI; BORGES, 2004, p. 1,2). O cognitivismo - considerado independente- 1 BORGES, H. E. Comunicação pessoal (Laboratório de Sistemas Inteligentes do CEFET- MG, Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação - Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil).

17 1.1 Ciências cognitivas e sistemas inteligentes 16 mente da neurobiologia, sociologia e antropologia - constituiu-se num programa de pesquisa bem definido, apoiado por instituições de prestígio e interesses envolvendo relações internacionais. Nessa abordagem, a metáfora orientadora e ferramenta central é o computador digital, pelo qual foi possível um expressivo desenvolvimento da tecnologia aplicada, fomentada para fins comerciais (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003, p. 24,25). Em seguida, surge o movimento conexionista na década de 70, criticando o processamento de símbolos como o veículo adequado às representações, num contexto de novas descobertas, pela neurociência, sobre a operação do cérebro. A característica marcante é que esta abordagem substitui o processamento localizado pelo processamento distribuído por toda a rede de componentes, cujo resultado surge na emergência de um estado global. Entretanto, as redes neurais artificiais (RNA) concebidas sob esse paradigma, são programadas para adquirir capacidades específicas e atuar em domínios bem definidos (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003, p ,214). O ponto comum das abordagens, anteriormente citadas, é que ambas partem do princípio de que a cognição consiste de representações e manipulações dessas representações. Assim fundamentadas, reconhecem a existência de uma relação onde o sujeito capta do mundo (por meio de seus órgãos sensoriais) as características dos objetos e, por conseguinte, concordam com a existência de um mundo pré-dado, independente da atuação desse sujeito em seu contexto biológico, psicológico e cultural (TERRA; GRANDI; BORGES, 2004, p. 3-5). Ou seja, a relação sujeito-objeto ocorre como na metáfora que descreve o observador - um agente cognoscente (com um olho desincorporado ) que cai de pára-quedas na terra para mapear uma realidade objetiva e desconhecida (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003, p. 22). O terceiro estágio, pode-se dizer que caracteriza-se por uma convicção não-objetivista (e também não-subjetivista) que admite que há muitos mundos diferentes de experiência, dependendo da estrutura do ser envolvido e dos tipos de distinções que este é capaz de fazer (TERRA; GRANDI; BORGES, 2004, p. 3-5). Nesse caminho explicativo, não se pode, portanto, tomar o fenômeno do conhecer como se houvesse fatos ou objetos lá fora, que podem ser captados e introduzidos no cérebro, tal como é a posição defendida, implícita ou explicitamente, pelas abordagens representacionistas - em particular, o cognitivismo e o conexionismo (MATURANA; VARELA, 2002, p.28,31). O fenômeno cognitivo constitui-se, de outra maneira, nas interações de um ser-em-seuambiente, ambos, constituindo uma unidade inseparável (VARELA; THOMPSON; ROSCH,

18 1.1 Ciências cognitivas e sistemas inteligentes , p. 26, ). Para essa orientação alternativa às abordagens tradicionais, o representacionismo é descartado, uma vez que, conhecer não implica representar num sentido objetivista de captar do mundo suas propriedades e utilizá-las para elaborar a ação mais adequada diante do problema - como se as propriedades percebidas pelo indivíduo revelassem algo sobre o mundo como ele realmente é. Por outro lado, também não implica o extremo oposto, em fazer projeções de um mundo interior solipsista, pois há que se considerar que foram as interações com o ambiente que possibilitaram aos seres de uma mesma espécie o desenvolvimento compartilhado de características consolidadas filogeneticamente 2, incluindo algumas possibilidades cognitivas (inatas) semelhantes, como, por exemplo, a dos sentidos da visão, audição, etc.. O ato de conhecer, constituído no indivíduo, depende da percepção que ele faz do ambiente no qual está inserido. Nesse caso, a influência que o ambiente oferece ao indivíduo em suas interações são apenas estímulos que podem ou não ser aceitos por sua estrutura interna. Por sua vez, essa estrutura, à sua maneira, responderá com ações que também serão consideradas meros estímulos do sujeito ao ambiente (figura 1). Em outras palavras, os sistemas vivos são vistos como sendo sistemas estruturalmente determinados e, assim sendo, não admitem interações instrutivas. Tudo o que acontece neles ocorre como mudanças (dinâmica) em sua estrutura interna determinada, as quais são deflagradas, mas não especificadas pelas circunstâncias de suas interações (MATURANA, 2001, p.127). O ambiente apenas desencadeia modificações estruturais nos seres vivos, e estes, por sua vez, podem desencadear mudanças no ambiente, por meio dos estímulos enviados via os seus comportamentos. O resultado será uma história de mudanças estruturais congruentes, entre ser vivo e ambiente, até que algum deles se desintegre - um fenômeno denominado de acoplamento estrutural (MATURANA; VARELA, 2002, p.87). Dessa maneira, a cognição não é produto nem do sujeito nem do ambiente isoladamente, mas sim da co-determinação e da co-evolução de ambos (TERRA; GRANDI; BORGES, 2004, p. 3-4). O conhecer, pois, é entendido como ação efetiva, ou seja, ação que permite ao organismo continuar sua existência em um determinado meio ao fazer surgir um mundo (MATURANA; VARELA, 2002, p ). Nesse caso, organismos biológicos ou artificiais são considerados inteligentes segundo a avaliação do observador: 2 Entende-se filogenia de uma espécie, como sendo as configurações estruturais herdadas, consolidadas em sua história de desenvolvimento em seu ambiente (MATURANA; VARELA, 2002, p ).

19 1.1 Ciências cognitivas e sistemas inteligentes 18 [...] a avaliação de se há ou não conhecimento ocorre sempre num contexto relacional, no qual as mudanças estruturais que as perturbações desencadeiam num organismo aparecem para o observador como um efeito sobre o ambiente. É em relação ao efeito esperado por ele que o observador avalia as mudanças estruturais que são desencadeadas no organismo. Sob esse ponto de vista, toda interação de um organismo, toda conduta observada, pode ser avaliada por um observador como um ato cognitivo. (MATURANA; VARELA, 2002, p. 194) Esta abordagem para a cognição, ainda sem um nome bem estabelecido, referenciada nesta pesquisa como cognição situada 3, incipiente de adeptos, especialmente, da área de IA, é compartilhada por algumas teorias que, comumente, empregam perspectivas distintas na explicação do fenômeno cognitivo, embora partindo dos mesmos princípios e recebendo denominações particulares segundo cada autor (TERRA; GRANDI; BORGES, 2004, p. 1-2,6). Tais diferenças em focos de estudo enriquecem e complementam entre si as pesquisas realizadas e as oportunidades de inserção da IA nesse contexto. Dentre essas teorias, destaca-se: a enaction de Varela, Thompson e Rosch (2003), a biologia do conhecer de Maturana e Varela (2002), o darwinismo neuronal de Edelman (1987), a cognição situada de Clancey (1997) e a ecologia da mente de Bateson (1972). A propósito de exemplificar essa complementaridade entre teorias, a abordagem de Maturana e Varela (2002) - a biologia do conhecer - concentra-se mais no domínio das interações entre ser vivo e ambiente: o domínio comportamental (Figura 1). Nesse domínio, considera-se o acoplamento estrutural de organismos unicelulares e metacelulares, como os humanos, ressaltando-se as interações recorrentes que surgem nas coordenações comportamentais entre os indivíduos de espécies sociais. Segundo Maturana e Varela (2002), esse acoplamento social, aliado à expansão comportamental proporcionada pelo desenvolvimento do sistema nervoso (SN), é que conduziu, na linhagem dos primatas superiores, ao aparecimento de novos fenômenos como a linguagem e a consciência humana. Numa outra perspectiva, na transição do domínio comportamental para o domínio da estrutura interna, a teoria enaction de Varela, Thompson e Rosch (2003) explica a cognição como ação incorporada. Incorporada, visto que os tipos de experiência são decorrentes de se ter um corpo com várias capacidades sensório-motoras 4, e ação, para enfatizar que esses processos sensoriais e motores, da percepção e da ação, são 3 O termo que nomeia a abordagem de Clancey (1997). 4 As conexões entre a superfície sensorial e a superfície motora, responsáveis pelas trocas com o ambiente, ao receber e enviar estímulos, respectivamente. (MATURANA; VARELA, 2002, p. 117)

20 1.1 Ciências cognitivas e sistemas inteligentes 19 domínio da fisiologia (dinâmica interna) domínio da conduta (ou comportamental) Figura 1: Um ser vivo em acoplamento estrutural com o seu ambiente FONTE - adaptado de MATURANA, 2001, p. 62. fundamentalmente inseparáveis na cognição. Resumidamente, a enação ou atuação 5 considera que: (1) a percepção consiste em ação perceptivamente orientada, e (2) as estruturas cognitivas emergem dos padrões sensório-motores recorrentes que possibilitam à ação ser perceptivamente orientada. Para Varela, Thompson e Rosch (2003, p. 117), a preocupação de uma abordagem atuacionista não é determinar como um mundo independente do observador pode ser recuperado, mas é determinar os princípios comuns nas ligações entre os sistemas sensorial e motor que explicam como a ação pode ser perceptivamente orientada em um mundo dependente do observador (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003, p. 177). Algumas destas teorias já vêm sendo empregadas como referencial importante na concepção de mecanismos inteligentes em IA. Nesse contexto, situam-se as aplicações descritas por Clancey (1997) e os estudos em torno da concepção da arquitetura ARTÍFICE, proposta por Borges (2002), aos quais integra-se esta pesquisa. A adesão a esse novo paradigma pela IA implica que, dada a complexidade admitida para o fenômeno cognitivo - considerando que a aquisição de conhecimento desenvolve-se por meio do acoplamento direto entre percepção, concepção e processos motores, segundo uma estrutura interna (cerebral) auto-organizável (CLANCEY, 1997, p. 2) - é necessário um esforço adicional de re-contextualização dos conceitos envolvidos para o âmbito dos organismos artificiais, implementados em máquinas seqüenciais, segundo a arquitetura de von Neumann (SANTOS, 2003, p. 116). Tal concepção para os mecanismos inteligentes difere, sobremaneira, daquela adotada por parte dos adeptos das abordagens tradicionais, onde é comum construir mecanismos que operam dentro do esquema entrada-processamento-saída, segundo as representações previamente embutidas de um ambiente pré-estabelecido. 5 O termo atuação é utilizado como tradução para enaction em Varela, Thompson e Rosch (2003).

21 1.2 O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção 20 É nesse paradigma mais contemporâneo e não-convencional que este trabalho de pesquisa se insere, o qual visa a não-representação do conhecimento externo, internamente (CLANCEY, 1997, p ). Para tal, torna-se imprescindível dotar o mecanismo de capacidades sensório-motoras, para que o mesmo mantenha-se em interação com o seu ambiente (CLIFF, 1991; BROOKS, 1991; TERRA; GRANDI; BORGES, 2004). Cabe ressaltar que, não há entradas nem saídas, o que ocorre são trocas de estímulos entre mecanismo e ambiente, segundo as configurações instantâneas das superfícies sensoriais e motoras do primeiro. Além disso, especialmente, este trabalho reconhece a importância de se incorporar nos sistemas inteligentes também os afetos e a motivação, pois esses mecanismos biológicos são compreendidos como fazendo parte da corporalidade dos organismos, desde aqueles mais simplificados na escala filogenética 6 (BUCK, 1999, p. 7,25). Le- Doux (2003, p. 174) observa que, embora a revolução cognitiva, após o behaviorismo, tenha trazido a mente de volta às investigações científicas, o pensamento e os processos cognitivos são enfatizados prescindindo-se da emoção e da motivação. Contudo, é importante entender não apenas como nós atendemos à, lembramos ou raciocinamos, mas também porque nós atendemos à, lembramos ou raciocinamos sobre determinadas coisas ao invés de outras. O pensamento não pode ser completamente compreendido se as emoções e as motivações são ignoradas (LeDOUX, 2003, p. 174). O restante deste capítulo especifica esta proposta de pesquisa. A seção 1.2 apresenta o contexto no qual se insere este trabalho. Na seção 1.3, discute-se sobre o escopo e a relevância desta pesquisa. A seção 1.4 descreve os objetivos que nortearam o trabalho e a metodologia utilizada. Por último, na seção 1.5, é apresentada a organização desta dissertação. 1.2 O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção Quanto à inserção na literatura científica, o presente trabalho se insere no âmbito de um projeto de pesquisa mais amplo, denominado: "ARTÍFICE: Arquitetura Flexível para a Criação de Linhagens de Agentes de Software Cognitivos e Situados"(BORGES, 2002). O projeto ARTÍFICE visa a construção de uma arquitetura flexível, indepen- 6 A escala filogenética reflete a evolução das espécies (no tempo), em ordem crescente de complexidade de comportamentos.

22 1.2 O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção 21 dente de aplicação, para a criação de Agentes de Software Cognitivos e Situados (ASCS), fundamentados na cognição situada, ou seja, de acordo com uma visão atuacionista e situacionista da cognição, característica desse terceiro estágio de abordagens para o fenômeno cognitivo. Além do embasamento naquelas teorias, o projeto ARTÍFICE se utiliza dos estudos de disciplinas como a física e a biologia, seguindo, naturalmente, o caráter interdisciplinar característico das pesquisas em ciências cognitivas. Denomina-se os agentes de cognitivos e situados pela expressividade do termo para evidenciar a concordância com os princípios da cognição situada e com alguns aspectos importantes a serem considerados na concepção de organismos artificiais, conforme aponta Clancey (1997, p. 1-12, ): - admitidas as limitações do modelo descritivo-simbólico, parte-se para a concepção de mecanismos inteligentes capazes de construir conhecimento a partir de suas ações, porém, iniciando-se pela construção de organismos simplificados. Esta estratégia de desenvolvimento seguindo uma abordagem crescente para incrementar a complexidade do mecanismo foi proposta e amplamente difundida por Brooks (1986, 1991). Nesse caso, baseados na arquitetura subsumption 7 (BROOKS, 1986, 1991, p. 1-20,p. 4-10), os robôs construídos operam com habilidades mais elaboradas à medida que adicionam-se novas camadas comportamentais ao topo dessa arquitetura em camadas; - nessa abordagem, o esquema entrada processamento saída torna-se inconsistente, não só pela incoerência com o princípio epistemológico adotado, mas também pela inexistência de um sistema seqüencial e linear, conforme têm evidenciado as pesquisas a respeito da operação dinâmica do cerebro 8. Portanto, se a percepção e a ação são aspectos interligados, e mutuamente seletivos, os mecanismos desenvolvidos devem considerar essa dinâmica interna de operação, formação e manutenção do conhecimento, procurando reproduzir o acoplamento estrutural do mecanismo com o ambiente em que este atua (VARELA; THOMPSON; ROSCH, 2003, p. 168); - a construção de mecanismos fundamentados nos estudos sobre o fenômeno co- 7 O termo subsumption refere-se a uma arquitetura em camadas, onde uma camada superior, quando exerce o controle, pode impor restrições à operação das camadas inferiores (BROOKS, 1986, p. 6-9). 8 Sobre esses estudos acerca da dinâmica cerebral, ver Varela, Thompson e Rosch (2003), Terra, Grandi e Borges (2004), Gelder (1998) e referências lá citadas.

23 1.2 O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção 22 gnitivo permite aos cientistas - além de testar suas teorias, ampliando os níveis de observação do fenômeno a partir de simulações computacionais, como as da operação cerebral (EDELMAN, 1989, p ) - articular sobre as diferenças entre a cognição dos seres vivos e os modelos cognitivos concebidos. Como conseqüência, especialmente com essa visão não-representacionista do conhecimento, abrem-se novas perspectivas para o desenvolvimento de sistemas inteligentes e suas aplicações. Os ASCS instanciados a partir da arquitetura ARTÍFICE devem ser especializados para uma determinada aplicação. A especialização determina as capacidades sensoras e efetoras necessárias para um ASCS particular, estabelecendo-se com isso sua estrutura inicial, o ponto de partida para o desenvolvimento de sua filogenia 9 (SANTOS, 2003, p ). Tais capacidades inatas especificam como o ambiente pode perturbar a dinâmica interna do agente, e quais comportamentos podem ser exibidos para compensar tais perturbações. A estrutura interna de um ASCS compõe-se de um agregado de componentes com funções específicas, envolvidos numa dinâmica interna que, ao fazer emergir um estado global, em determinado instante, pode fazer resultar algum comportamento observável no ambiente. Do ponto de vista de quem observa o acoplamento de um ASCS-em-seu-ambiente, diz-se que o agente apresenta uma conduta inteligente quando se identificam coerências entre os estímulos enviados do meio e o comportamento observado. É importante ressaltar que o acoplamento estrutural entre ASCS e ambiente não inclui a relação entrada processamento saída da visão tradicional, mas sim uma troca de estímulos, tanto entre as estruturas internas do agente como entre este e o seu ambiente, de tal modo que as respostas/comportamentos emergentes não são determinadas pelo ambiente, mas pela perturbação ocasionada pelos estímulos ambientais em sua estrutura interna (seu agregado de componentes) (SANTOS, 2003, p ). Um ASCS pode ser definido como um agente de software especificado a partir dessa arquitetura básica e independente de domínios de aplicação, concebido sob inspiração biológica, sem representações internas do ambiente externo e dotado de capacidades sensório-motoras para interagir e adaptar-se às contingências envolvidas 9 A filogenia define as configurações estruturais herdadas por todos os indivíduos de uma espécie, desenvolvidas ao longo de sua história de evolução (MATURANA; VARELA, 2002, p ).

24 1.2 O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção 23 em seu acoplamento com o ambiente (TERRA; BORGES; ALMEIDA, 2006, p. 2). A subseção seguinte menciona os principais trabalhos de pesquisa anteriores em torno da definição desta arquitetura de software, do início até a conclusão da presente pesquisa A evolução do projeto ARTÍFICE Os esforços para a concepção da arquitetura ARTÍFICE iniciaram-se com o trabalho de Santos (2003), que definiu os aspectos conceituais envolvidos e um esboço inicial para a arquitetura. A Figura 2 situa esse e os principais trabalhos de pesquisa desenvolvidos em uma linha do tempo que se inicia com a definição do projeto ARTÍ- FICE até a presente pesquisa. Em seguida, esse esboço deu origem ao primeiro projeto de software e à primeira instanciação para testes a partir da arquitetura (SANTOS et al., 2004, p. 4). Esta versão preliminar da arquitetura incluiu a especificação de uma dinâmica de trocas de estímulos entre os ASCS e os componentes de softwares, integrantes do mundo artificial. Um ASCS instanciado desta aplicação foi embutido com um sensor de visão, efetores para os movimentos de translação e rotação, dentre outros componentes básicos coordenados por um mecanismo simplificado para efetuar as correlações sensório-motoras (SM) do agente. O mundo artificial foi implementado como um ambiente gráfico bidimensional, no qual o usuário insere os componentes de software, simulando os nutrientes e os obstáculos com os quais um ASCS é capaz de interagir. Essas interações do agente consistiam em aproximar-se e ingerir os nutrientes situados à frente em seu campo visual. Continuando a expansão da arquitetura, foram aprimorados a estrutura básica de componentes e o mecanismo de percepção-em-ação para controlar a emergência das correlações SM no agente. Este mecanismo é o responsável por implementar a operação interna do ASCS, coordenando a operação de cada um de seus componentes nervosos e periféricos, num processo que realiza a seleção de uma correlação SM, a cada instante, da qual podem resultar os comportamentos observáveis do agente no ambiente. Esta proposta deu origem à versão inicial da arquitetura (PIRES, 2005), a versão Artifice A partir desta versão, um ASCS contem um conjunto mínimo de componentes dos tipos: sensor, efetor, correlacionador cognitivo e um componente emocional (inserido como ponto de extensão). Para a instanciação de teste, a ope-

25 1.2 O projeto ARTÍFICE: os agentes e sua arquitetura de construção 24 TERRA, 2007 mecanismo AME principais marcos do projeto CAMPOS, 2006 OLIVEIRA, 2006 PIRES, 2005 SANTOS et al., 2004 SANTOS, 2003 BORGES, 2002 proposta de projeto processo cognitivo-emocional mecanismo de reificação de objetos primeira versão operacional da arquitetura primeira proposta de projeto de software para a arquitetura aspectos conceituais e um esboço arquitetural Jun/2003 set/2004 out/2005 ago/2006 nov/2007 tempo Figura 2: Linha do tempo do projeto ARTÍFICE ração do componente emocional baseou-se em um critério de seleção simplificado para fazer alternar os estados emocionais do agente entre vagueando e aproximando, apenas para permitir a validação do mecanismo proposto. A versão Artifice será discutida mais detalhadamente no capítulo 2. Partindo da versão 0.6.0, dois outros trabalhos de pesquisa exploraram aspectos específicos na constituição da estrutura interna de um ASCS. Um deles propõe um mecanismo para o processo de reificação de objetos, por meio do qual um ente desconhecido no ambiente passa a fazer parte da realidade, ou do mundo do ASCS, por meio das interações realizadas pelo agente na distinção que lhe traz à existência esta nova entidade (SANTOS, 2003; OLIVEIRA; BORGES, 2006; OLIVEIRA, 2006, p. 33; p. 1-2,6-8). Esse mecanismo é de relevância para a arquitetura, posto que, na perspectiva da cognição situada, somente após a reificação é que o sujeito pode referir-se a um objeto como se este existisse independentemente dele. Um objeto reificado possui, para o sujeito, um significado construído sobre uma circunstância atuada, ou seja, numa circunstância de ação ou inter-ação (MATURANA, 1997; SANTOS, 2003; OLIVEIRA; BORGES, 2006, p. 57; p. 33; p. 7). O segundo trabalho contribuiu com uma nova proposta para o mecanismo de percepção-em-ação da primeira versão, ou melhor, desenvolveu uma proposta dinâmico-interacionista para o processo cognitivo situado (o acoplamento, ASCS-em-seuambiente) denominado de processo cognitivo-emocional (CAMPOS; BORGES, 2006; CAM- POS, 2006, p. 3-10). Essa nova dinâmica proposta para a estrutura interna do agente

26 1.3 Escopo do trabalho de pesquisa 25 inclui recursos para possibilitar que esta seja assíncrona, paralela e não-determinística, assim como ocorre no processo cognitivo dos seres vivos, de acordo com os estudos por parte das teorias mencionadas na seção 1.1, que embasam as pesquisas para o desenvolvimento desta arquitetura (EDELMAN, 1989, p , 51-54). Nesse sentido, tal reformulação também confere melhor suporte para as extensões posteriores de que ainda demandam esse desenvolvimento (CAMPOS; BORGES, 2006, p. 10). A presente pesquisa propõe um mecanismo distinto, partindo da mesma versão da arquitetura ARTÍFICE, também desenvolvida independentemente e em paralelo com os dois trabalhos anteriormente mencionados. Este trabalho concentrase na porção cognitiva do ASCS, para conceber o componente cognitivo emocionalatencional do modelo delineado por Santos (2003, p.113), renomeado neste trabalho para mecanismo atencional-motivacional-emocional, ou mecanismo AME Escopo do trabalho de pesquisa A modelagem do mecanismo AME propõe reproduzir, nos ASCS, capacidades adaptativas análogas àquelas que permitem a um ser vivo lidar com as contingências ambientais que envolvam oportunidades ou ameaças à sua sobrevivência. Tais capacidades estão associadas aos mecanismos corporais dos afetos e da motivação que foram desenvolvidos na evolução, e estão presentes nas espécies desde aquelas mais simplificadas da escala filogenética (BUCK, 1999, p. 7-25). Conforme definido por Santos (2003, p. 110), o papel de um componente emocional é o de valorar as experiências do ASCS e selecionar os estímulos para os quais dispensar atenção, em determinado instante. No modelo proposto, essas funções implicam que: 1) a atenção, no ASCS, está relacionada com o nível de ativação das estruturas motivacionais-emocionais embutidas (seus afetos 11 ), as quais influenciam as mudanças de estado (e de status) das estruturas nervosas e periféricas - os componentes sensório-motores (os órgãos dos sentidos, como os olhos, e dos movimentos, como os músculos/membros do corpo). Neste modelo, os estados 10 Neste trabalho, ambos os termos, mecanismo e componente AME são utilizados para fazer referência ao modelo do mecanismo emocional do ASCS como um todo. 11 Essa terminologia é esclarecida no capítulo 3, nas discussões sobre a tipologia dos afetos de Buck (1999).

27 1.3 Escopo do trabalho de pesquisa 26 de uma estrutura compreendem as configurações que esta pode assumir durante a sua operação, ou seja, quando o seu status está ativado. Quando seu status é suspenso ou desativado, a estrutura não participa da dinâmica interna de percepção-ação, e portanto, não demanda maiores recursos de sistema; 2) a valoração das experiências é feita por um mecanismo de reforço/inibição comportamental (RI), com base nos estados afetivos do agente. É por meio deste mecanismo que o ASCS adquire o aprendizado necessário à sua auto-regulação, isto é, à restauração a um nível confortável de ativação (equilíbrio) dos afetos biológicos incorporados. No entanto, a função desse componente é mais abrangente do que à primeira vista possa parecer, dada a própria função que as emoções exercem no desenvolvimento individual de um organismo, natural ou artificial. Basta considerar que, quando são implementados afetos de maior ordem - aqueles mais flexíveis que em certo sentido são aprendidos durante a ontogenia 12, como, p. ex., o medo, a aversão, os afetos morais, cognitivos e sociais (BUCK, 1999, p ), dentre outros - eles passam a influenciar a dinâmica interna do agente a partir de determinados eventos internos que iniciam a aquisição de um novo aprendizado comportamental, completamente imprevisível em tempo de codificação, adquirido das contingências em seu acoplamento com o ambiente. Como exemplo, suponha que o medo é uma emoção relevante para ser embutida em um ASCS, como poderia ser numa aplicação do tipo vida artificial 13. Este afeto ativado a certos níveis de equilíbrio não irá influenciar ou modular o comportamento do agente no início de sua ontogenia. Contudo, à medida que o agente interage com outras entidades presentes estará sujeito a receber estímulos ambientais com conotação destrutiva, como, p. ex., uma injúria um a órgão do seu sistema periférico, percebida como dor. Nesse caso, o estímulo doloroso é sinalizado por um circuito afetivo mais primitivo 14, responsável por desencadear reações automáticas de proteção (ou esquiva), como, p. ex., retirar a mão da chapa quente. Todavia, essas reações são, na verdade, insuficientes para proporcionar a manutenção de um acoplamento de sobrevivência para um ser vivo, ou para um ASCS. A função do medo é antecipar as 12 As transformações estruturais (desenvolvimento) de um organismo vivo durante sua vida. (MA- TURANA; VARELA, 2002, p. 86) 13 À respeito desse domínio de aplicação, ver Pires (2005, p ) e referências lá citadas. 14 Os sistemas motivacionais-emocionais primários, como os reflexos, instintos e drives, segundo a tipologia dos afetos biológicos de Buck (1999). Tal abordagem e sua terminologia é apresentada no capítulo 3.

28 1.3 Escopo do trabalho de pesquisa 27 situações de risco adaptando o ambiente interno (orgânico) quando situações similares às daqueles eventos ameaçadores são percebidas. Isso ocorre porque aquelas situações, quando ocorreram, ativaram o comportamento do indivíduo de tal maneira que fez com que se estabelecesse nele condicionamentos àqueles estímulos externos, percebidos (internamente) como aversivos. Todavia, como o fundamento teórico utilizado para o desenvolvimento de um ASCS não admite inserir representações ambientais, nem preestabelecer como o agente deverá se comportar diante de tais contingências, o aumento da complexidade do mecanismo para esses afetos de ordem maior torna-se evidente. Nesse caso, ao perceber a mesma fonte da perturbação anterior no ambiente, o agente irá utilizarse do condicionamento adquirido (não previsto) - baseado em suas possibilidades sensório-motoras incorporadas - para estabelecer algum comportamento observável de repulsa e evitar abordar ou aproximar-se de um objeto qualquer. É importante salientar que, apesar da arquitetura modificada permitir extensões para incluir os afetos de alta ordem, os componentes de software específicos que seriam necessários à operação destes e as interligações específicas com outro(s) afeto(s) de natureza distinta não foram implementados neste trabalho, por questão de escopo, uma vez que tal implementação envolveria um grande esforço adicional. Uma alternativa simplista poderia ser a de incluir configurações prévias, dadas pelo usuário, para estabelecer a dinâmica desses circuitos emocionais mais complexos, envolvendo mais de um sistema motivacional-emocional especializado. A possibilidade de estender o modelo, aqui proposto, para incluir esses afetos mais complexos, deve-se à concepção do mecanismo AME inspirada na tipologia dos afetos biológicos, segundo Buck (1999), a qual sugere que as emoções de alta ordem baseiam-se em emoções biológicas. O presente trabalho de pesquisa estendeu a arquitetura ARTÍFICE para incluir o mecanismo AME, visando dotar os ASCS de um mecanismo auto-regulador de suas necessidades afetivas. No entanto, não é parte do escopo desta pesquisa implementar um processo cognitivo situado baseado em emoções, no qual uma percepçãoação cognitiva (ou seja, uma percepção mais elaborada) ocorra em paralelo e em mútua relação com as percepções puramente emocionais, as quais baseiam-se numa percepção menos elaborada sobre o contexto no qual o indivíduo se encontra, num determinado instante. As reações emocionais, conforme percebe-se, baseiam-se em reflexos inatos, predisposições individuais e de espécie e preconceitos a partir de

29 1.3 Escopo do trabalho de pesquisa 28 condicionamentos adquiridos os quais geram adaptações corporais para lidar com, deflagrando ou não comportamentos instintivos observáveis 15. A aplicação de testes focalizou-se na implementação de alguns sistemas afetivos biológicos, especificamente, aqueles da tipologia de Buck (1999) que envolvem menos complexidade ou flexibilidade em suas operações. Nesse contexto, considera-se que a relevância desse trabalho de pesquisa se torna evidente por ele: - complementar com um mecanismo afetivo a arquitetura ARTÍFICE, cujo propósito é servir efetivamente a diversas aplicações de sistemas inteligentes, no domínio de agentes cognitivos e situados. Obviamente que a arquitetura precisa atender aos níveis de abstração exigidos pela aplicação e que esta se baseie num funcionamento orgânico, incluindo o sistema nervoso (SN); - basear-se em uma tipologia para a classificação das emoções (BUCK, 1999) e no não-representacionismo da cognição situada, o qual fundamenta o desenvolvimento da arquitetura ARTÍFICE; - implementar a inter-relação entre cognição e emoção no modelo. Isso acontece desde que a operação de cada estrutura nervosa, emocional ou cognitiva, depende da operação das demais estruturas, participantes da percepção-ação, em determinado instante; - permitir a criação de ASCS autônomos, capazes de se manter em acoplamento estrutural com o seu ambiente e adquirir aprendizado a partir das experiências, num processo cognitivo modulado a todo instante pelos sistemas afetivos incorporados. É importante ressaltar que, são as reações puramente emocionais aquelas que permitem aos seres vivos se esquivar rapidamente das inúmeros ameaças as quais está sujeita a sua existência (LeDOUX, 2004, p. 73). 15 Sobre os ciclos de percepção-ação cognitivos e emocionais, ver seção 2.2, nos comentários a respeito do esquema ilustrado na Figura 8.