Computação Bioinspirada. Prof. Eduardo R. Hruschka (Slides baseados nos originais do Prof. André C. P. L. F. de Carvalho)

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1 Computação Bioinspirada Prof. Eduardo R. Hruschka (Slides baseados nos originais do Prof. André C. P. L. F. de Carvalho) 1

2 Principais tópicos Computação Bioinspirada Computação Biológica Biologia Computacional Áreas de Computação Bioinspirada 2

3 Computação Bioinspirada Área de pesquisa que investiga o relacionamento entre a Computação e a Biologia Como a computação pode resolver problemas da Biologia Biologia Computacional Como soluções biológicas podem originar novos paradigmas de computação Computação Biológica 3

4 Computação Bioinspirada Sub-áreas Biologia Computacional (BC) Biologia Molecular Computacional Neuroinformática Computação Ambiental Computação Biológica (CB) Computação Evolutiva Redes Neurais Artificiais Inteligência Coletiva (social, de enxames) Computação Baseada em Moléculas Sistemas Imunológicos Artificiais Robótica 4

5 Computação Bioinspirada Possibilita o desenvolvimento de modelos baseados em processos naturais, explorando: Poder computacional do sistema nervoso para resolver problemas de reconhecimento de padrões Redes Neurais Artificiais Propriedades emergentes de populações de organismos para solucionar problemas de otimização Inteligência Coletiva Capacidade da natureza otimizar a adaptação de seres vivos ao seu ambiente no decorrer de gerações Computação Evolutiva 5

6 Técnicas de CB Estatística Aprendizado de Máquina Computação Bioinspirada Comput. Molecular Redes Neurais Otimização Computação Evolutiva Sistemas Híbridos Sistemas Imunes Robótica Modelos Sociais Biologia Computação 6

7 Nível de Inspiração Sistema de locomoção Sistema de visão Sistema imunológico Sistema nervoso DNA Proteínas Colônias / Sociedades Sistemas Biológicos Moléculas Colônias de formigas Enxames de abelhas Evolução Bandos de pássaros Baseados em Populações 7

8 Computação Biológica Investiga modelos computacionais que utilizam mecanismos bioinspirados Adaptação Aprendizado Evolução Fisiologia Auto-organização Competição Cooperação 8

9 Computação Bioinspirada Implementados em sistemas biológicos Computadores moleculares Computadores neurais Implementados em sistemas digitais Simulam sistemas biológicos 9

10 Computação Bioinspirada Implementados em sistemas digitais Hardware Placas ou computadores dedicados Software Maior eficiência computacional Menor flexibilidade Maior custo Mais comum 10

11 Aplicações Cientistas conectaram neurônios de um caranguejo azul (Guaiamum) a um computador Computador foi capaz de simular a atividade elétrica de um dos neurônios do caranguejo 11

12 Aplicações No futuro, áreas danificadas do cérebro poderão ser substituídas por próteses eletrônicas Beneficiando pessoas com: Deficiência motora Deficiência visual Epilepsia 12

13 Computação Bioinspirada Termos relacionados: Métodos Bioinspirados Sistemas Bioinspirados Tecnologias Bioinspiradas Engenharia Bioinspirada Computação Biologicamente Inspirada Computação Natural 13

14 Computação Natural Computação inspirada pela natureza Redes Neurais Computação Evolutiva Inteligência de Enxames Sistemas Imunes Artificiais Síntese de fenômenos naturais em computadores Gemetria fractal Vida Artificial Computação com materiais da natureza Computação baseada em Moléculas Computação Quântica 14

15 Engenharia Bioinspirada Investiga processos e mecanismos encontrados na natureza Inspiração em abordagens alternativas para o projeto e implementação de sistemas eletrônicos tolerantes a falhas Eletrônica Embriônica Hardware evolutivo Imunotrônica 15

16 Engenharia Bioinspirada Biomédica Próteses Materiais Nariz e língua artificial Ossos artificiais Mecânica Locomoção Atuadores Estruturas 16

17 Engenharia Bioinspirada Exemplos: Projetar um modelo para entender as dinâmicas relacionadas aos movimentos da água viva Estudar a aerodinâmica do vôo das moscas Investigar mecanismos subjacentes à localização por odor 17

18 Computação Bioinspirada Linha de pesquisa da NSF Grupos de pesquisa University of Calgary, Canada University of York University of Leeds University of Kent ETHZ, Suíça USP Unicamp Conferências 18

19 CB e BC Por muitos anos, sub-áreas da Biologia têm inspirado técnicas de CB Redes Neurais Algoritmos Genéticos Programação Genética Otimização por Colônias de Formigas Recentemente, problemas da Biologia têm sido abordados por técnicas de CB Biologia Molecular 19

20 CB e BC Computação Biológica BIOLOGIA COMPUTAÇÃO Biologia Computacional 20

21 Utilização de Técnicas de CB em BC Principais aplicações Bioinformática Meio Ambiente Principais técnicas Redes Neurais Artificiais Computação Evolutiva Colônia de Formigas Sistemas Inteligentes Híbridos 21

22 Tópicos de Biologia Sistema Nervoso Genética e Evolução Biologia Molecular Imunologia Organização Social 22

23 Tópicos de CB Redes Neurais Artificiais Computação Evolutiva Bioinformática Computação Baseada em Moléculas Colônias de Formigas Sistemas Imunológicos Artificiais 23

24 Outros Temas Co-evolução Autômatos Celulares Embriônica Colônias de Abelhas Sistemas Imunológicos Artificiais Sistemas Dinâmicos Robótica Evolutiva Vida Artificial Química Computacional Particle Swarm Optimization 24

25 Observações finais Biologia + Computação = Computação Bioinspirada Computação Biológica e Biologia Computacional Novo guarda-chuva para áreas que, em geral, não são tão novas Áreas de Computação Bioinspirada 25