Vida artificial

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UDESC - Ciências da Computação
Inteligência Artificial
06 - 2011

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Vida artificial

  1. 1. Vida Artificial<br />Jonathan Emannoel Ferreira<br />
  2. 2. Introdução<br />Definição<br />Abordagens de Vida Artificial<br />Origem e Desenvolvimento<br />Christopher Langton<br />O que é Vida?<br />Vida Artificial e Inteligência Artificial<br />Vida Artificial e Computação Inspirada na Natureza<br />Problemas Investigados<br />Exemplos de Vida Artificial<br />Jogo da Vida em C<br />
  3. 3. Definição<br />Vida artificial é a ciência que pesquisa e realiza estudos de sistemas feitos pelo homem que exibem comportamentos característicos dos sistemas vivos<br />
  4. 4. Abordagens de Vida Artificial<br />Sintética: <br /> estudo da vida empregando matéria-prima natural ou artificial que permita a criação de padrões e comportamentos similares aos naturais.<br /> <br />Virtual:<br /> simulação de fenômenos e organismos naturais em computador. <br /> Embora os organismos virtuais possam ser interpretados como se estivessem vivos, eles não são organismos reais, <br />pois vivem em um ambiente virtual.<br />
  5. 5. Origem e Desenvolvimento<br />Os pioneiros em pesquisa com vida artificial são os mesmos responsáveis pelos primeiros passos da inteligência artificial: <br />Alan Turing e John Von Neumann<br />1950 (Von Neumann): autômatos celulares; estudo dos fenômenos de auto-organização e reprodução.<br />1952 (Turing): estudo de morfogenia (desenvolvimento de formas biológicas). <br />
  6. 6. Origem e Desenvolvimento<br />No entanto, as idéias destes dois grandes nomes só puderam ser melhor exploradas com o advento de grande quantidade de recursos computacionais, ou seja, com o aperfeiçoamento técnico da máquina que eles próprios ajudaram a conceber.<br />Só como um exemplo da contribuição destes dois proeminentes pesquisadores, basta mencionar que John Holland, o autor dos algoritmos genéticos, foi aluno de Arthur Burks, colega de vonNeumann<br />Após os primeiros desenvolvimentos, os processo de vida artificial foram parcialmente “esquecidos”, porque o foco de atenção dos pesquisadores de áreas afins se voltou para a pesquisa em inteligência artificial.<br />
  7. 7. Origem e Desenvolvimento<br />Foi somente no início dos anos 80 que os processos de vida artificial voltaram a ser explorados de modo significativo. <br />A área ganhou evidência após a iniciativa de Christopher Langtonem organizar o primeiro Workshop em Vida Artificial, em Los Alamos, no ano de 1987. Neste evento, Langtoncunhou o termo “vida artificial” (artificial life).<br />
  8. 8. Christopher Langton<br />Graduado antropologia e filosofia pela Universidade do Arizona, recebeu seu PhD em Ciência da Computação pela Universidade de Michigan, sobre o tema “Computação no limite do Caos”. <br />Sua pesquisa envolve arquiteturas computacionais para estudos em Vida Artificial, medidas formais de complexidade, sistemas dinâmicos distribuídos, autômatos celulares, morfologia da evolução e as origens da vida. <br />Langtoné autor de vários livros sobre o tema Vida Artificial, dentre eles “Artificial Life: An Overview” que sintetiza a história da pesquisa realizada em vida artificial até recentemente.<br />
  9. 9. O que é Vida?<br />O homem tem se perguntado de onde veio e para onde vai. <br />Muitos segredos da natureza foram desvendados na busca pela resposta, porém, muitos mitos perduram. <br />Devamos nos concentrar na caracterização dos aspectos que definem um organismo como vivo. <br />Inicialmente, parece se tratar de uma tarefa simples, alguém pode pragmaticamente redigir uma lista definindo o que é necessário para algo “ser vivo”: <br />crescer, reproduzir-se, reagir ao ambiente, assimilar energia, excretar dejetos, morrer, etc. <br />Porém, muitos desses conceitos são subjetivos, paradoxais e muitas vezes contraditórios.<br />
  10. 10. O que é Vida?<br />Consideremos, por exemplo, organismos simples como vírus, bactérias, algas e amebas.<br />Vírus:<br /> Não atendem qualquer uma das exigências da lista, se reproduzem com auxílio do mecanismo de outras células, e, portanto, é considerado “não vivo” por muitos pesquisadores. <br />Pode permanecer inanimado por uma eternidade, até ter outra chance de infectar, e assim voltar à atividade.<br />
  11. 11. O que é Vida?<br />Bactérias:<br /> São organismos simples, agem de forma semelhante e possuem complexidade equivalente a muitas entidades que não são consideradas vivas. <br />Bactérias podem existir indefinidamente, se não submetidas a condições danosas, assim como embriões humanos congelados, que podem permanecer dormentes como os vírus, sem a necessidade de um hospedeiro, podendo, a qualquer momento, se tornar um ser humano vivo e ativo. <br />Um embrião é uma vida em potencial, como um programa interrompido no meio da execução. Podemos considerar bactérias, ou embriões congelados, formas de vida?<br />
  12. 12. O que é Vida?<br />Algas:<br /> Permanecem imóveis, flutuando ao sabor das marés, apenas processando material circulante, com ajuda da luz solar, excretando as substâncias resultantes. <br /> Em algum momento, como em um estalo, o que era uma torna-se duas, sem que olhos distraídos percebam o processo.<br />
  13. 13. O que é Vida?<br />Amebas:<br />São móveis, se reproduzem por meiose, reagem ao ambiente, assimilam energia e liberam dejetos, e, embora sejam imortais ninguém duvida que elas estejam “vivas”. <br /> Talvez isto signifique que todas as amebas existentes sejam partes móveis de um único organismo com três bilhões de anos de idade, uma espécie de “Super-Ameba” distribuída por todo o globo.<br />
  14. 14. O que é Vida?<br />Questionar sobre “o que é vida” de forma simplista como apresentada acima pode ser extremamente arriscado do ponto de vista científico, e, embora qualquer pessoa possa dizer facilmente a diferença entre uma coisa “viva” e uma “não viva” apenas olhando para ela, nenhuma afirmação deve ser feita sem se basear em resultados experimentais e observações sistemáticas.<br />
  15. 15. Vida Artificial e Inteligência Artificial<br />Vida artificial e Inteligência artificial são duas ciências distintas;<br />A IA aplica-se na VA contribuindo para o realismo dos organismos<br />A VA pode ajudar a IA, criando, a partir de evolução natural, seres inteligentes.<br />
  16. 16. Vida Artificial e Computação Inspirada na Natureza<br />Várias técnicas de computação inspirada na natureza, como redes neurais e algoritmos evolutivos, são usadas no desenvolvimento de projetos de vida artificial. <br />Entretanto, as duas áreas podem ser distinguidas pelo seu enfoque:<br />Enquanto a Computação Inspirada na Natureza (CIN) tem como principal objetivo a resolução de problemas, <br />A vida artificial busca um maior entendimento da vida como ela é através da emulação e simulação de fenômenos naturais.<br />
  17. 17. Vida Artificial e Computação Inspirada na Natureza<br />Portanto, a Computação Inspirada na Natureza tem uma ênfase mais tecnológica<br /> (de engenharia).<br />Vida Artificial enfatiza o desenvolvimento científico e a compreensão da natureza.<br />Uma similaridade importante é que ambas envolvem sistemas complexos e comportamentos emergentes.<br />
  18. 18. Problemas Investigados<br />Inteligência Artificial Corporificada<br />Ecossistemas Artificiais<br />
  19. 19. Inteligência Artificial Corporificada<br />Observa a dinâmica de agentes físicos - robôs autônomos, implementados em hardware <br /> - controlados por mecanismos sensores e atuadores, e tenta identificar o surgimento de fenômenos emergentes úteis, tais como cognição e comportamentos grupais, resultantes da interação entre os agentes entre si e com o meio físico.<br />
  20. 20. VIDEO<br />Vida Artificial<br />
  21. 21. Ecossistemas Artificiais<br />Constituem-se normalmente de simulações de ambientes interativos em software, onde uma grande quantidade de agentes autônomos interage durante vários ciclos ou gerações, normalmente compartilhando, combatendo e trocando recursos com os outros agentes. <br />O ecossistema é definido por um conjunto de elementos autônomos (simulados em software). <br />O comportamento individual de cada agente é descrito por um esquema de regras bastante simples, como uma relação do tipo (estado + ação) -> (reação). <br />
  22. 22. Exemplos de Vida Artificial<br />Podemos dividir em dois tipos:<br />Singulares:<br />Robótica;<br />Vírus;<br />Em comunidade:<br />The Sims;<br /> Boids;<br />Formigas;<br />
  23. 23. The Sims<br /><ul><li>Programa com finalidade lúdica </li></ul>que dispensa apresentações;<br />
  24. 24. Boids<br /><ul><li>Criados por Craig Reynolds;
  25. 25. Simulam o voô dos pássaros </li></ul> segundo regras simples;<br /><ul><li> Alguns biólogos creiem que </li></ul> são as mesmas regras que regem <br /> os verdadeiros pássaros.<br />
  26. 26. Formigas<br />Formigas em comunidadeQuando duas formigas se reproduzem , <br />cria-se uma nova formiga com <br />caracteristicas similares às dos pais.<br />
  27. 27. Vírus Computacionais<br />Um vírus biológico é um tipo de parasita miscroscópicode planta, animais e bactérias que geralmente causa doença, e que é constituído essencialmente por um núcleo de DNA ou rna envolto por uma camada de proteína. <br />As células infectadas se transformam em fábricas biológicas produzindo cópias do vírus.<br />
  28. 28. Vírus Computacionais<br />O nome vírus de computador foi inspirado pelo seu análogo vírus biológico. <br />Ovírus computacional é um fragmento de código de computador que implanta uma cópia de seu código em um ou mais programas hospedeiros (host programs) quando ativado. <br />Sendo assim, um vírus de computador pode ser definido como um programa (software) capaz de infectar outros programas. <br />
  29. 29. Vírus Computacionais<br />Existem basicamente três formas de um vírus infectar outros códigos:<br /><ul><li>Eles podem se tornar o código original do ;
  30. 30. Eles podem se adicionar ao final de um código hospedeiro;
  31. 31. Eles podem substituir parte ou todo o código original pelo código viral.</li></li></ul><li>Vírus Computacionais<br /> Levando-se em consideração as características da vida estudadas anteriormente, verifica-se que os vírus computacionais apresentam praticamente todas elas: <br /><ul><li>É representado por um padrão de código de computador;
  32. 32. Pode se reproduzir;
  33. 33. O código que define o vírus corresponde a sua representação;
  34. 34. Os vírus necessitam de energia elétrica para sobreviver;
  35. 35. São capazes de sentir o hospedeiro, alterando interrupções, examinando discos e memória, e podem se esconder para reproduzir e manter sua vida;
  36. 36. Geralmente o código de um vírus não pode ser quebrado sem que o vírus seja destruído;
  37. 37. Podem ser executados em diferentes máquinas e sistemas operacionais;
  38. 38. Podem evoluir via intervenção humana.</li></li></ul><li>O Jogo da Vida (Game ofLife)<br /><ul><li>Uma célula viva com 2 ou 3 vizinhos vivos permanece viva;
  39. 39. Uma célula viva com menos de 2 vizinhos morre de solidão;
  40. 40. Uma célula viva com mais de 3 vizinhos morre sufocada;
  41. 41. Uma célula morta com 3 vizinhos vivos passa a viver. </li></li></ul><li>O Jogo da Vida<br />Padrões encontrados em especificas condições iniciais. <br />
  42. 42. O Jogo da Vida<br />
  43. 43. O Jogo da Vida (Links)<br />http://www.marcogomes.com/gameoflife/html/ <br />http://www.natcomp.com.br/lvcon/experimento?id=17 <br />
  44. 44. Pseudocódigo<br />Regra de evolução:<br />Morte: <br />Regra 1: Uma célula viva com menos de 2 vizinhas vivas morre por solidão/isolamento <br /> Regra 2: Uma célula viva com mais de 3 vizinhas vivas morre por asfixia (excesso de população) <br />Sobrevivência:<br /> Regra 3: Uma célula viva com 2 ou 3 vizinhas vivas sobrevive na próxima geração <br />Nascimento :<br /> Regra 4: Uma célula morta com 3 vizinhas vivas nasce na próxima geração <br />
  45. 45. Pseudocódigo<br />se estado = ligado <br /> se vizinhos < 2 ou vizinhos > 3 <br /> estado = desligado <br />se estado = desligado <br />se vizinhos = 3 <br /> estado = ligado <br />
  46. 46. Código em C<br />Jogo da Vida<br />
  47. 47. Futuro da Vida Artificial<br />Se conseguirmos reproduzir fielmente o organismo humano, poderemos criar máquinas tão geniais como Einstein ou mesmo inspiradas como Camões ou Shakespeare;<br />Há quem acredite que iremos perder a nossa superioridade para as máquinas<br />Outros creêm que elas nos irão venerar como criadores;<br />Num futuro mais imediato, áreas que dela beneficiarão são a indústria da animação gráfica, jogos e cinematográfica.<br />
  48. 48. Conclusões <br />A metodologia empregada pela Vida Artificial computacional é significativamente diferente daquela da biologia tradicional: <br />em vez de formular teorias a partir da observação dos sistemas naturais, <br />a Vida Artificial trata de compreender a vida projetando programas computacionais que sejam capazes de gerar padrões emergentes de aparência biológica.<br />
  49. 49. Conclusões <br />A Vida Artificial foi capaz de gerar, pela primeira vez na história da ciência, todo um universo de “criaturas” computacionais, que se auto-reproduzem, evoluem, aprendem e até organizam-se em coletividades. <br />A validade desses organismos e “biosistemas” virtuais é medida pelo fato de que, a partir de especificações simples e locais que definem o que poderíamos chamar de “regras de jogo plausíveis”, se consiga fazer emergir estruturas e comportamentos comparáveis aos que aparecem no mundo biológico real.<br />
  50. 50. Questão 1<br />Faça Algumas iterações usando a Lógica do Jogo da Vida com a seguinte imagem:<br />Explique:<br />Por que ela sumiu?<br />
  51. 51. Questão 2<br />O que é Vida para Você?<br />Por que os Seres Humanos tem essa fascinação por tentar criar ou mudar as coisas que já temos prontas? <br />
  52. 52. Questão 3<br />Faça um pseudocódigo do Jogo da Vida com Grade, ou seja, caso os cantos do quadro também sejam vizinhos ?<br />Exemplo: A é vizinho de B, D mais C e G.<br /> B é vizinho de A, C mais H.<br /> e assim por diante...<br />
  53. 53. Questão 4<br />O que é Vida Artificial?<br />
  54. 54. Questão 5<br />Faça Algumas iterações usando a Lógica do Jogo da Vida com a seguinte imagem:<br />E agora o que acontece?<br />
  55. 55. Idéias<br /> “A Folha de São Paulo”, caderno “Mais” em 27 de outubro de 2002, com o título “Vida Digital”, onde questões éticas são relevadas quanto ao experimento com organismos digitais. <br /><ul><li>“Pode um robô ou um programa realmente estar vivo?”,
  56. 56. “Pode um organismo que exista puramente em um ambiente virtual estar vivo?”.
  57. 57. Mesmo que este se mova como se estivesse vivo, se reproduza, se comunique, mesmo que tenha a forma de um “pixel” na tela de um computador?
  58. 58. O que exatamente algo deve fazer para que seja caracterizado como vivo?</li></li></ul><li>Idéias<br /> Físico Marcelo Gleiser em sua coluna científica semanal no jornal Folha de São Paulo com o título “Repensando a nossa existência”, <br />“A vida é um experimento em complexidade: conhecemos os ingredientes, os vários compostos químicos que fazem parte dos seres vivos, mas não sabemos como combiná-los para formar sequer o mais simples deles”.<br />
  59. 59. Idéias<br /> Nas palavras do cientista Christopher Langton.<br />“A coisa mais importante a se lembrar sobre VA é que a parte artificial não é a vida, mas os materiais. <br /><ul><li>Coisas reais acontecem.
  60. 60. Fenômenos reais são observados.
  61. 61. É vida real em uma mídia artificial”.</li></li></ul><li>Vida Sintética <br />http://www.youtube.com/watch?v=2korqW0Rxu4&feature=PlayList&p=D280CEB18281B777&playnext_from=PL&index=0&playnext=1<br />
  62. 62. Referências<br /><ul><li>Augusto MeckingCaringi, Programação I</li></ul> http://caringi.datadrome.net/ufpel/prog1/trabalho01.html<br /><ul><li>LusCorreia, Vida Artificial</li></ul>http://www.unisinos.br/_diversos/congresso/sbc2005/_dados/anais/pdf/arq0284.pdf<br /><ul><li>Saber Sapo Saber, História da vida artificial</li></ul>http://saber.sapo.ao/wiki/Hist%C3%B3ria_da_vida_artificial<br /><ul><li>Wikipédia, Vida Artificial</li></ul>http://pt.wikipedia.org/wiki/Vida_artificial#Princ.C3.ADpios_B.C3.A1sicos<br /><ul><li>Marco Gomes, O Jogo da Vida, de John Conway</li></ul>http://marcogomes.com/blog/2008/o-jogo-da-vida-de-john-conway<br /><ul><li>Geraldo VolpatoCalegariJúnior; Maria Tereza Nage, Vida Artificial</li></ul>http://www.nce.ufrj.br/GINAPE/VIDA/download/VIDARTIFICIAL.pdf<br /><ul><li>Sim Vida, An Artificial LifeExperimen</li></ul>http://sites.google.com/site/rodrigosetti/simvida<br />

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