Inteligência Computacional COMPUTAÇÃO NATURAL VISÃO GERAL Renato Dourado Maia Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros Fundação Educacional Montes Claros
Objetivo O objetivo desta aula é contextualizar a Inteligência Computacional, especificamente os Sistemas Nebulosos e as Redes Neurais Artificiais, no âmbito da Computação Natural. 2/78
Contexto Imagine um mundo onde os computadores podem criar novos universos, e dentro destes universos existam formas naturais que reproduzem, crescem e pensam. Imagine formas vegetais, montanhas, colônias de formigas, sistemas imunológicos, e cérebros, todos aprendendo e evoluindo, e se tornando mais adaptados ao ambiente. Imagine se nossos computadores passassem a conter novas formas de vida. Pense em como isso afetaria as nossas vidas. Talvez pudéssemos criar automaticamente projetos de casas e música, novas formas de proteger computadores contra invasores, novas formas de resolver problemas complexos, novos organismos, e novas formas de computar. Agora pare de imaginar. Seja bem vindo à Computação Natural. 3/78
Reflexão Inicial Será que o homem teria perseguido tão tenazmente a ideia de voar se não existissem animais que voam? 4/78
Introdução A humanidade, no princípio de sua história, utilizava os recursos naturais para obter abrigo e alimentos. Rapidamente, o homem aprendeu a manipular a natureza, fazendo surgir a agricultura e a pecuária, permitindo a construção de artefatos, controlar o fogo, etc. Num segundo momento, tendo como objetivo explicar e entender como a natureza opera, a humanidade passou a observar e estudar os padrões e fenômenos biológicos, físicos e químicos. 5/78
Introdução Com isso, a capacidade humana de manipular a natureza foi potencializada: O entendimento das leis do movimento e da gravidade permitiu a concepção e construção de aeronaves e, por meio do entendimento dos princípios básicos da vida, foi possível cultivar alimentos transgênicos e controlar epidemias. 6/78
Introdução Naturalmente, ao estudar e observar os fenômenos naturais, o homem percebeu que a natureza é uma entidade que possui uma grande capacidade de resolver problemas complexos. A natureza passa, então, a ser enxergada como uma fonte de inspiração para o projeto e construção de artefatos e sistemas. 7/78
Introdução Ideias extraídas de sistemas naturais já vêm sendo utilizadas com muito sucesso para o desenvolvimento de ferramentas tecnológicas capazes de resolver problemas de complexidade elevada, cujas soluções eram, até então, desconhecidas ou inatingíveis. 8/78
Computação Natural A Computação Natural é constituída por novas abordagens de computação caracterizadas por uma maior proximidade com a natureza. A Computação Natural já se encontra em máquinas de lavar roupas, trens, brinquedos, aparelhos de ar condicionado, filmes, jogos eletrônicos, etc. 9/78
Computação Natural Existem várias razões para se estudar a Computação Natural: Possibilidade de desenvolver novas ferramentas computacionais para a solução de problemas complexos, que são constantes em engenharia. Possibilidade de projetar dispositivos, normalmente computacionais, que simulam, emulam, modelam e descrevem sistemas naturais. 10/78
Computação Natural Existem várias razões para se estudar a Computação Natural: Possibilidade de sintetizar novas formas de vida. Possibilidade de utilizar materiais e mecanismos naturais, como cadeias de DNA e dispositivos quânticos, como novos paradigmas de computação, em substituição aos computadores atuais baseados em silício. É importante repetir que a natureza tem sido muito bem sucedida na resolução de diversos problemas complexos! Vocês concordam? 11/78
Computação Natural Vocês conseguem citar exemplos de objetos inspirados na natureza? 12/78
Computação Natural Exemplos de Objetos Inspirados na Natureza Objeto Inspiração Velcro Plantas Colete à Prova de Balas Teias de Aranha Sonares Morcegos Aviões Pássaros Submarinos Peixes 13/78
Computação Natural Ah, ainda não entendi o que é Computação Natural... 14/78
Computação Natural A Computação Natural pode ser vista: Como uma versão computacional do processo de extração de ideias da natureza para o desenvolvimento de sistemas computacionais "artificiais. Como a utilização de materiais e mecanismos naturais para realizar computação. É importante salientar que a palavra "artificial" nesse contexto significa apenas que os sistemas são desenvolvidos por seres humanos, em vez de serem resultantes de processos naturais. 15/78
Computação Natural Computação Natural Computação Inspirada na Natureza Síntese Computacional de Fenômenos Naturais Computação com Novos Materiais Naturais As Três Grandes Áreas que Constituem a Computação Natural. Computação Inspirada na Natureza, Síntese Computacional de Fenômenos Natureis e Computação com Novos Materiais Naturais. 16/78
Síntese de Fenômenos Computação Natural Estudos Teóricos Estudos Experimentais Observações Empíricas Conhecimentos Multidisciplinares Novas Formas de Resolver Problemas Novos Paradigmas de Computação A Filosofia da Computação Natural. A Computação Natural integra os estudos teóricos e experimentais da Biologia, da Física e da Química, combinando-os com observações empíricas dos fenômenos naturais e com conhecimentos de diversas outras ciências, de modo a permitir a síntese de fenômenos, o projeto de novas formas de resolver problemas, além da concepção de novos paradigmas de computação. 17/78
Computação Inspirada na Natureza Reflexão Se em algum dia desejarmos construir robôs que se comportam como seres autônomos, que tal programar esses robôs com algoritmos inspirados na Biologia? PyConBrasil3 - Algoritmos Genéticos em Python http://video.google.com/videoplay?docid=-1883327831135819292&emb=1&hl=pt-br 18/78
Tarefa: Aprender a Andar Robô Ser Humano Computação Inspirada na Natureza 19/78
Tarefa: Aprender a Andar de Bicicleta Computação Inspirada na Natureza 20/78
Murata Boy 21/78
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Computação Inspirada na Natureza Como exemplos, podem-se citar: As Redes Neurais Artificiais, inspiradas nos neurônios. A Computação Evolutiva, inspirada na teoria da evolução das espécies. A Inteligência de Enxame (Coletiva), inspirada nos insetos sociais e outras sociedades de animais (inclusive as humanas). 23/78
Computação Inspirada na Natureza Como exemplos, podem-se citar: Os Sistemas Imunológicos Artificiais, inspirados na imunologia. Os Sistemas Nebulosos, inspirados na forma de pensar dos humanos. A Inteligência Artificial Simbólica, inspirada nos aspectos cognitivos e do raciocínio humano. 24/78
Síntese Computacional de Fenômenos Naturais A Síntese Computacional de Fenômenos Naturais envolve a utilização de mecanismos computacionais para a síntese de comportamentos naturais, padrões e processos similares (não necessariamente) àqueles conhecidos na natureza. Os resultados obtidos podem ser utilizados para mimetizar os fenômenos naturais correspondentes, o que é útil não apenas para ampliar o entendimento sobre como a natureza opera, mas também para alimentar abstrações que conduzam à construção de modelos computacionais. 25/78
Síntese Computacional de Fenômenos Naturais Dentro dessa área, as linhas de pesquisa de destaque são: O estudo sobre Vida Artificial e organismos artificiais. A Geometria Fractal da Natureza. 26/78
Computação com Novos Materiais Naturais A Computação com Novos Materiais Naturais constitui um novo paradigma de computação no qual mecanismos naturais, tais como cadeias de DNA e bits quânticos são utilizados como hardware e/ou estruturas de dados para o desenvolvimento de computadores naturais. Nessa área, os principais campos de investigação são: A Computação Molecular. A Computação Quântica. 27/78
Lei de Moore Crescimento do número de transistores para processadores Intel (pontos) e Lei de Moore (Linha de cima=18 meses, linha de baixo=24 meses). 28/78
Computação Natural Definição A Computação Natural é um campo de pesquisa que, tendo a natureza como elemento construtivo ou como inspiração, permite o desenvolvimento de novas ferramentas computacionais software, hardware ou wetware, para a resolução de problemas, podendo conduzir à síntese de padrões na-turais, comportamentos e organismos, e podendo resultar na concepção de novos sistemas de computação que utilizem materiais ou mecanismos naturais para realizar a computação. 29/78
Computação Natural Multidisciplinaridade A Computação Natural é uma área de pesquisa inerentemente multidisciplinar: Físicos, químicos, engenheiros, matemáticos, biólogos, e profissionais de outras áreas contribuem e trocam ideias para o desenvolvimento da Computação Natural, buscando consolidar a transdisciplinaridade. Essa sinergia, além de introduzir novas ideias no âmbito da computação, engenharia e matemática, representa grandes benefícios para as ciências naturais, especialmente a Biologia, bem como para as Ciências Sociais e outras áreas do conhecimento. 30/78
Computação Natural e Engenharia Qualquer fenômeno natural é inerentemente complexo e permeado de detalhes e, mesmo que ele seja governado por um conjunto finito de regras, descobri-las e entendê-las não é uma tarefa trivial. Reproduzir essas regras com fidelidade é, portanto, uma tarefa complicada. ABSTRAÇÃO 31/78
Computação Natural e Engenharia Cabe, pois, ressaltar que a aceitação de um novo paradigma não é vinculada à sua fidelidade à fonte de inspiração ou ao fato de representarem uma verdade absoluta, mas sim a dois aspectos fundamentais: a sua factibilidade e a sua utilidade. ABSTRAÇÃO ENGENHARIA 32/78
Computação Natural e Engenharia A capacidade de resolução de problemas de certos sistemas naturais, ou biológicos, é considerável, podendo ser equivalente, ou até superior em alguns contextos, às das estratégias tecnológicas equivalentes existentes na atualidade. Portanto, elucidar e aplicar um conjunto geral de princípios que governam o comportamento desses sistemas naturais pode levar ao desenvolvimento de novas formas de engenharia. 33/78
Formigas Trecho do filme de animação Formiguinha Z, no qual uma formiga trabalhadora chamada Z entra no consultório do terapeuta reclamando de sua insignificância: Eu me sinto insignificante... Ah, você teve um grande progresso. Tive? Sim... Você é insignificante! 34/78
Formigas Um comportamento muito interessante das formigas é a coleta de alimento (forrageamento). Esse comportamento envolve duas ações básicas: construir uma trilha de feromônio e seguir uma trilha de feromônio. O feromônio é a base do recrutamento, que é o nome dado ao mecanismo comportamental que permite que uma colônia de formigas reúna rapidamente uma grande quantidade de coletadoras em torno de uma determinada fonte de alimento. 35/78
Collective Foraging Decision of Ants Focusing on the Closest Food Source. Simulação disponível no endereço: http://zool33.uni-graz.at/schmickl/models/ants_foraging_decision.html (acesso em 17/06/2011). 36/78
Fonte de Alimento Fonte de Alimento Ninho (a) Fonte de Alimento Ninho (b) Ninho (c) Estigmergia em Formigas Naturais. A comunicação indireta utilizando o conceito de feromônio permite às formigas encontrarem o menor de dois caminhos entre o ninho e uma fonte de alimentos. (a) Passagem interrompida. (b) Logo após a abertura da passagem, as formigas percorrem os dois caminhos disponíveis. (c) Com o passar do tempo, o laço de realimentação positiva criado pelo feromônio faz com que a maioria das formigas passe a utilizar o caminho mais curto. 37/78
Formigas Observações interessantes sobre o experimento do slide 37: Os caminhos mais curtos são privilegiados. A probabilidade de um caminho mais curto ser escolhido aumenta com a diferença de comprimento entre os caminhos. 38/78
Formigas Observações interessantes sobre o experimento do slide 37: Se o caminho mais curto for apresentado muito depois do caminho mais longo, ele não será selecionado, a não ser que o feromônio evapore muito rapidamente. A quantidade de feromônio que uma formiga libera é diretamente proporcional à qualidade da fonte de alimento encontrada. Ants Viewer 1.0 http://www.rennard.org/alife/english/antsgb.html 39/78
Formigas Otimização por Colônias de Formigas (ACO Ant Colony Optimization): Formigas artificiais que liberam e seguem trilhas de feromônio artificial, para, normalmente, resolver problemas de otimização combinatória representados por grafos, como o Problema do Caixeiro Viajante (TSP) e a descoberta de regras de classificação em bancos de dados. 40/78
(a) (b) Estigmergia em Formigas Artificiais. Na simulação, 500 formigas artificiais deixam o ninho em busca de alimento, depositando feromônio, representado em branco, por onde passam quando levando alimento para o ninho. (a) A exploração do ambiente começa de forma aleatória. (b) O depósito de feromônio no ambiente serve como um sinal de reforço para o recrutamento de outras formigas para recolher alimento, sendo formada uma trilha mais intensa no menor caminho. 41/78
(a) (b) Estigmergia em Formigas Artificiais. Aplicação interessante: posicionamento de escritórios de representação. 42/78
(a) (b) Estigmergia em Formigas Artificiais. Aplicação interessante: navegação autônoma utilizando o conceito de feromônio. 43/78
Formigas Um outro comportamento interessante das formigas é o de agrupamento/classificação. Tem sido demonstrado que diversas espécies de formigas, para manter a limpeza do ninho, agrupam os corpos das formigas mortas em cemitérios. 44/78
Formigas Muito embora os mecanismos que regulam esse comportamento ainda não sejam apropriadamente compreendidos, existe um modelo simples que tenta explicá-lo: As formigas se movimentam de forma aleatória, pegam formigas mortas e as soltam, tendo como base apenas uma informação local a densidade de corpos. "Garbage Collection by Ants" from the Wolfram Demonstrations Project http://demonstrations.wolfram.com/garbagecollectionbyants/ 45/78
(a) (b) (c) Comportamento de Agrupamento e Classificação de Formigas Artificiais. (a) Os diferentes tipos de itens, representados por diferentes cores (as formigas artificiais são apresentadas em amarelo) são inicializados aleatoriamente no ambiente. (b) Após algum tempo, começam a ser formados agrupamentos de itens semelhantes. (c) Após muito tempo, os agrupamentos de itens semelhantes ficam mais evidentes. A simulação utilizada está disponível no endereço: http://zool33.uni-graz.at/schmickl/models/sorting.html (acesso em 17/06/2011). 46/78
Fogo 47/78
Crescimento de Árvores 48/78
Colisão 49/78
Queda de Água 50/78
Visualizador de Autômatos Celulares Cellular Automata Viewer 2.0 http://www.rennard.org/alife/english/antsgb.html 51/78
Exploring Emergenge http://llk.media.mit.edu/projects/emergence/ 52/78
Fractais na Natureza Montanhas e uma Árvore. Note a irregularidade e os padrões fragmentados das formas. 53/78
Fractais na Natureza Uma Planta. Note, novamente a irregularidade e os padrões fragmentados das formas. 54/78
Paisagem Fractal Montanhas. Formas e padrões gerados artificialmente. 55/78
Paisagem Fractal Montanhas. Formas e após a geração artificial de formas a padrões, ocorre a renderização. 56/78
Plantas Artificiais. Exemplos de plantas artificiais geradas com Sistemas L. http://www.rennard.org/iva/lsysapll.html 57/78
Plantas Artificiais "Tree Bender" from the Wolfram Demonstrations Project: http://demonstrations.wolfram.com/treebender/ "Fractal Trees" from the Wolfram Demonstrations Project: http://demonstrations.wolfram.com/fractaltrees/ 58/78
(a) (b) Growth of Plants. Simulações disponíveis nos endereços: (a) http://zool33.uni-graz.at/schmickl/models/petersil.html (acesso em 17/06/2011). (b) http://zool33.uni-graz.at/schmickl/models/farn.html (acesso em 17/06/2011). 59/78
Flocos de Neve "Snowflake-Like Patterns" from the Wolfram Demonstrations Project: http://demonstrations.wolfram.com/snowflakelikepatterns/ "Snowflake-Like 3D Growth" from the Wolfram Demonstrations Project: http://demonstrations.wolfram.com/snowflakelike3dgrowth/ "Snowflake Growth" from the Wolfram Demonstrations Project: http://demonstrations.wolfram.com/snowflakegrowth/ 60/78
Robôs que Reproduzem 61/78
Robôs que Reproduzem 62/78
Mais Robótica 63/78
Mais Robótica http://creativemachines.cornell.edu/emergent_self_models (acesso em 14/06/2011) 64/78
Boids 65/78
Boids http://www.red3d.com/cwr/boids (acesso em 14/06/2011) 66/78
Regras Comportamentais Propostas por Reynolds (1987) para Simular uma Revoada de Pássaros Separação, Alinhamento e Coesão. Um Boid de referência, representado por um triângulo branco, possui um campo de visão limitado, representado na figura pelos círculos cinzas, que determina com quais outros Boids ele irá interagir para a apli-cação das regras 67/78
Bioformas (Biomorphs) Com um programa chamado Blind Watchmaker, R. Dawkins (1986) propôs um algoritmo evolutivo para gerar figuras compostas por pontos, linhas e outras primitivas básicas. Os organismos artificiais criados utilizando-se o programa Blind Watch-maker foram denominados de Bioformas (Biomorphs). 68/78
Bioformas (Biomorphs) Exemplos de Bioformas. 69/78
Bioformas (Biomorphs) Exemplos de Bioformas. 70/78
Bioformas (Biomorphs) Depoimento de R. Dawkins: Quando eu escrevi o programa, eu nunca imaginava que ele evoluiria algo que fosse além de uma variedade de formas similares a plantas... Nada em minha intuição de biólogo, nada em meus 20 anos de experiência como programador e nada em meus sonhos mais distantes me preparou para o que realmente surgiu na tela do computador. Não me lembro de quando eu percebi que seria possível evoluir algo que lembrasse um inseto. Com grande surpresa eu comecei a criar, geração após geração, bioformas variadas que lem-bravam diversas formas de vida conhecidas. 71/78
Bioformas (Biomorphs) Blind Watchmaker Applet: http://www.phy.syr.edu/courses/mirror/biomorph/ Biomorph Breeder: http://www.annanardella.it/biomorph.html Biomorph Viewer 1.1: http://www.rennard.org/alife/english/biomg b.html 72/78
Sistemas de Partículas Fogos de Artifício 73/78
Sistemas de Partículas Fogos de Artifício 74/78
Simulação de Fogos de Artifício http://www.lvcon.computacaonatural.com.br (acesso em 10/08/2014) 75/78
Mensagem Final Once upon a time, all machines were built, propelled, or controlled by mechanisms designed by living organisms, such as human beings. Wagons were pulled by horses, which, unlike modern vehicles, could steer themselves, refuel themselves, and even reproduce themselves. Automation has replaced most of these subtle creatures with strong but stupid, inflexible slaves. It has come the time for a revolution though. Natural computing is providing new forms of studying, synthesizing, looking at, using, and understanding the natural world so as to produce increasingly more powerful problem-solving techniques, life-like artificial beings and patterns, and computing paradigms. L. N. de Castro, Fundamentals of Natural Computing: Basic Concepts, Algorithms, and Applications, CRC Press, 2006. (p. 542-543) 76/78
Acabando... Esta apresentação foi baseada no material disponível no site do Laboratório Virtual em Computação Natural (acesso em 10/08/2014): http://www.lvcon.computacaonatural.com.br. Visitem o LVCoN! É muito interessante: Além dos conteúdos, há diversas simulações e muitas outras coisas... O LVCoN é uma ferramenta para o ensino e aprendizagem on-line de Computação Natural. LEIAM O ARTIGO QUE DEIXAREI COM O LÍDER DA TURMA! 77/78
Acabou! Obrigado pela Atenção! 78/78