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Artificial Life in Virtual Envir onments 1 Artificial Life in Virtual Artificial Life in Virtual Environments Environments Rogério Perino de Oliveira Neves Laboratório de Sistemas integráveis Grupo de Vida Artificial

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Artificial Life in Virtual Environments. Rogério Perino de Oliveira Neves. Laboratório de Sistemas integráveis Grupo de Vida Artificial. Partes da Apresentação. Apresentação do candidato (8) Introdução do projeto (22) Especificação do projeto (11) Resultados parciais (5) - PowerPoint PPT Presentation

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Artificial Life in Virtual Environments 1

Artificial Life in Virtual EnvironmentsArtificial Life in Virtual Environments

Rogério Perino de Oliveira NevesLaboratório de Sistemas integráveisGrupo de Vida Artificial

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Partes da ApresentaçãoPartes da Apresentação

Apresentação do candidato (8)Introdução do projeto (22)Especificação do projeto (11)Resultados parciais (5)Observações finais (4)

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CandidatoCandidato

Rogério Perino de Oliveira Neves

Data de Ingresso: 5 de Agosto de 2001

Orientador: Marcio Lobo Netto

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Formação do CandidatoFormação do Candidato

Bacharel em Física, opção Física Computacional, 1996-2000, Instituto de Física de São Carlos, USP.

Técnico em eletrônica, especialização em eletrônica digital, 1991-1994, Fundação Instituto Tecnológico de Osasco.

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Matérias CursadasMatérias Cursadas

Disciplina Per Co

PCS5756-1 – Metodologia de Desenvolvimento de Interfaces Homem-Computador

3/01 B

PEE5764-1 – Fundamentos à Ciência Cognitiva 3/01 A

PEE5788-1 – Redes de Neurônios Artificiais com Bifurcação e Dinâmica Caótica

3/01 A

PCS5711-2 – Computação Fuzzy 1/02 C

PEE5830-2 – Processamento Digital de Imagens 1/02 A

PMR5005-1 – Fundamentos da Robótica 1/02 A

PSI5000-1 – Vida Artificial e Ambientes Virtuais em Computação Gráfica

1/02 A

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Atividades em GruposAtividades em Grupos

Grupo Roda VivaGrupo de Ciências CognitivasGrupo de Vida Artificial

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PublicaçõesPublicações

Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.

“Evolutionary Search for Optimization of Fuzzy Logic Controllers”

1st International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery

Volume I, on Hybrid Systems and Applications I

ISBN: 981-04-7520-9 (2002)

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ApresentaçõesApresentações

Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.“A Virtual Reality Framework for Life Simulations”1st International Conference on Bioinformatics and

Computational BiologyIcoBiCoBi’03 – Ribeirão Preto – SP

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Artigos Aguardando DeferimentoArtigos Aguardando Deferimento

Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.“Artificial Life in Virtual Reality Environments”XVI Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image

ProcessingSIBGRAPI 2003 – São Carlos – SP

Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L.“A Virtual Reality Framework for Life Simulations”1st International Conference on Bioinformatics and

Computational BiologyIcoBiCoBi’03 – Ribeirão Preto – SP

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Atividades do MestradoAtividades do Mestrado

No. Atividades1. Cumprimento dos créditos relativos a disciplinas2. Pesquisa bibliográfica e levantamento de projetos semelhantes3. Planejamento do projeto4. Implementação da plataforma do projeto5. Estudos de caso utilizando a plataforma implementada6. Análise dos resultados obtidos7. Manutenção da página do projeto8. Elaboração de artigos e participação em eventos9. Redação do texto da dissertação10. Qualificação11. Defesa

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CronogramaCronograma

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Projeto A.L.I.V.E.Projeto A.L.I.V.E.

Artificial Life in Virtual Environments

Objetivos:

Realizar estudos sobre o tema Vida Artificial Aplicar tecnologias de RV na visualização de

experimentos de VA Desenvolver uma plataforma de experimentação

customizavel Implementar experimentos em VA

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Vida ArtificialVida Artificial

Expressão introduzida por Cristopher Langton em 1988, quando foi usado para descrever uma conferência realizada em Los Alamos, Novo México, sobre a “Síntese e simulação de sistemas vivos”.

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Conceitos ChaveConceitos Chave

Combina biologia e Ciência da Computação

Definição inicial entendia dois tipos:– VA forte: envolve a re-criação de vida in-silico,

ou seja, no computador– VA fraca: envolve a simulação de fenômenos

biológicos Inicialmente dominada por cientistas da

computação Hoje estudada por biólogos e físicos entre

outros

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AbordagensAbordagens

Bottom-Up (de baixo para cima)– Observada na natureza– Não envolve planejamento– Envolve evolução emergência– Geralmente associada a VA forte

Top-Down (de cima para baixo)– Observada em sistemas humanísticos– Envolve engenharia / planejamento– Geralmente associado a VA fraca

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Tipos de Estudo em VATipos de Estudo em VA

Origens da vida, auto-organização e auto-replicação

Desenvolvimento e replicação Dinâmica evolucionária e adaptativa Robôs e agentes autônomos Comunicação, cooperação e

comportamento coletivo Simulação, ferramentas de síntese e

metodologias

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Problemas Abertos em VAProblemas Abertos em VA

Como a vida surge da não-vida?

1. Gerar um proto-organismo molecular in-vitro;2. Atingir a transição para vida de um composto químico

artificial in-silico;3. Determinar fundamentalmente se um organismo fictício

pode existir;4. Simular um organismo unicelular em todo o seu ciclo de

vida;5. Explicar como regras e símbolos são gerados da

dinâmica física em sistemas vivos;

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Problemas Abertos em VAProblemas Abertos em VA

Quais são os potenciais e limites dos sistemas vivos?

6. Determinar o que é inevitável na evolução aberta da vida;7. Determinar as condições mínimas para transições

evolucionárias de sistemas de resposta específicos para genéricos;

8. Criar um modelo formal para sintetizar hierarquias dinâmicas em todas as escalas;

9. Determinar a previsibilidade das conseqüências evolutivas da manipulação de organismos e ecossistemas;

10. Desenvolver uma teoria de processamento, fluxo e geração de informação para sistemas em desenvolvimento;

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Problemas Abertos em VAProblemas Abertos em VA

Como a vida se relaciona com a mente, as máquinas e a cultura?

11. Demonstrar a emergência de inteligência e mente em um sistema de vida artificial;

12. Avaliar a influência de máquinas na próxima transição evolutiva da vida;

13. Prover um modelo quantitativo da conexão entre evolução biológica e cultural;

14. Estabelecer princípios éticos para experimentos em vida artificial.

PARA MAIS INFORMAÇÕES... Bedau et. al – Open Problems in Artificial Life

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Exemplos de Programas de VAExemplos de Programas de VA

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Simulação de Seres VivosSimulação de Seres Vivos

Considerar regras locais em vez de regras globais

Considerar regras simples em vez de complexas

Considerar comportamentos emergentes em vez de comportamentos pré-especificados

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Dinâmica do SistemaDinâmica do Sistema

Dinâmica de tempo discreto

Simplicidade em relação a equações diferenciais e mecânicas

Métodos como o de Euler, Runge-Kunta e esquema do trapézio

PARA MAIS INFORMAÇÕES... Kreyszig – Advanced Engineering Mathematics

TT XFX 1

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Exemplos de TécnicasExemplos de Técnicas

Máquinas de estadoSistemas não lineares e caosLógica nebulosaRedes neurais artificiais

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Máquinas de EstadoMáquinas de Estado

Estado atual determinado por um ou mais estados anteriores

Representação por tabelas, grafos de estado ou relações IF-THEN-ELSE

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Autômato CelularAutômato Celular

Vizinho à esquerda

Estado atual Vizinho à direita Novo estado

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Regra 90

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Autômato CelularAutômato Celular

Regra 45 Regra 90 Regra 170

PARA MAIS INFORMAÇÕES... Wolfram – A New Kind of Science

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Sistemas caóticosSistemas caóticos

Dinâmica discreta Características:

– Aperiódico: Sem repetição, não re-visita seqüências de valores já assumidos

– Limitado: Os valores sempre se encontram dentro de um limite máximo e mínimo

– Determinístico: Há uma regra definida governando o sistema, não há aleatoriedade

– Alta sensibilidade às condições iniciais: Uma pequena variação em algum parâmetro gera uma seqüência nova que, a longo prazo, apresenta valores que diferem em muito da seqüência inicialmente considerada.

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Diagrama de BifurcaçãoDiagrama de Bifurcação

Diagrama de BifurcaçãoDiagrama de Bifurcação

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Lógica NebulosaLógica Nebulosa

Representa a incerteza associada ao pensamento humano Aplica variáveis lingüísticas e funções de pertinência em lugar de

ou em conjunto com variáveis numéricas

PARA MAIS INFORMAÇÕES... Lotfi Zadeh – Computing With Words in Information

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Redes Neurais ArtificiaisRedes Neurais Artificiais

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Redes Neurais ArtificiaisRedes Neurais Artificiais

Armazena informação nos pesos wx

Circuito Integrador espacial-temporal

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Algoritmos GenéticosAlgoritmos Genéticos

Inspirados nos mecanismos adaptativos naturrais

Aplicados na solução de problemas nas ciências e engenharias

Emprega conceitos de hereditariedade e técnicas como cruzamento e mutação

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Algoritmos GenéticosAlgoritmos Genéticos

Inspirados nos mecanismos adaptativos naturais Aplicados na solução de problemas nas ciências

e engenharias Emprega conceitos de hereditariedade e técnicas

como cruzamento e mutação

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Algoritmos GenéticosAlgoritmos Genéticos

Vantagens

Pouca, ou nenhuma informação adicional sobre o ambiente procurado é necessária a priori

A eficiência da busca melhora de acordo com população que amostra o espaço de soluções possíveis

Habilidade de evitar mínimos locais Habilidade de lidar com múltiplas dimensões Generalidade sobre várias classes de problemas Provisão de múltiplas boas-soluções Habilidade de localizar a região de solução ótima

EXEMPLO... Evolutionary search for Fuzzy Logic Controllers

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Características do ProjetoCaracterísticas do Projeto Paradigma de programação orientada a objetos Compatibilidade com diversas plataformas computacionais Ambiente simulado tri-dimensional com dinâmica vetorial Visualização em 3D (estéreo) com suporte a diversos

dispositivos gráficos Possibilidade de visualização em dispositivos de realidade

virtual e em ambientes imersivos Possibilidade de execução concorrente em sistemas multi-

proccessados, num contexto multi-agentes Possibilidade de utilização de sistemas distribuídos em

cluster para otimização da performance na apresentação gráfica

Possibilidade de execução em modo Applet, para visualização via Browser pela Internet

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MotivaçãoMotivação

Maioria dos programas disponíveis apresentam visualização rudimentar

Os programas permitem apenas mudar alguns parâmetros pré-estabelecidos

As fontes, quando disponíveis, se encontram em código de baixo nível (ASM, C, C++)

A possibilidade de utilizar arquiteturas paralelas Utilização de um contexto multi-agentes Ambiente virtual em 3D, uso de vetores Empregar tecnologias de realidade virtual

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RecursosRecursos

Linguagem Java API Java3D Computadores pessoais Sistemas multiprocessados (Silicon

Graphics, projeto SPADE) Cluster de PCs (CAVERNA) Equipamentos de visualização (monitores,

Shutter Glasses, HMD, CAVERNA) Internet

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Tecnicas ferramentaisTecnicas ferramentais

Programação Orientada a ObjetosCálculo vetorialMulti-Agentes eletrônicosProgramação

concorrente/distribuidaConceitos de VA

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Java e Java3DJava e Java3D

Java Portabilidade através de plataformas Direcionado para Internet Paradigma de programação orientada a objetos Arquitetura de programação concorrente (Threads) Extensível

Java3D Novo padrão para programas de RV Interface de alto-nivel com OpenGL/DirectX Sistema de descrição de cena por grafos Estende as facilidades do Java

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Grafo de Cena em Java3DGrafo de Cena em Java3D

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VisualizaçãoVisualização

Direcionado, porém não limitado aCaverna digitalAceleradoras gráficasMonitores e Shutter GlassesHMD

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InteratividadeInteratividade

MouseKeyboardGlovesWandsOther tracking devices

Through Java3D picking behaviour

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Arquitetura da plataformaArquitetura da plataforma

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Arquitetura da PlataformaArquitetura da Plataforma

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Arquitetura da PlataformaArquitetura da Plataforma

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Configuração do AmbienteConfiguração do Ambiente

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ExperimentosExperimentos

Testes da plataforma Evolução em um sistema presa-predador Escola de peixes (em desenvolvimento) Demonstrações em biologia

– Fungos– Sistema imunológico– Mitose

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ExperimentosExperimentos

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Sistema Presa-PredadorSistema Presa-Predador

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Sistema Presa-PredadorSistema Presa-Predador

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Dinâmica CelularDinâmica Celular

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Escola de PeixesEscola de Peixes

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AplicaçõesAplicações

Experimentação em VA Simulações didáticas Soluções de problemas ciências e engenharias Treinamento de sistemas em robótica Simulações de sistemas genéticos e evolução Busca em espaços virtuais orientada pelo

usuário Aplicações em áreas futuras (nanotecnologia)

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ConclusõesConclusões A plataforma facilitará a implementação de futuros

experimentos O projeto abre espaço para o uso de realidade virtual em

experimentos de VA A doutrina do código aberto permitirá o aprimoramento do

projeto por seus usuários em todo o mundo (sourceforge.net)

Os experimentos desenvolvidos poderão ser publicados e executados pela Internet, permitindo maior interação entre os grupos de usuários

Novas tecnologias poderão ser aproveitadas a medida que surgem, não necessitando mudanças radicais no código

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AgradecimentosAgradecimentos

Marcio Netto, LSIClaudio Ranieri, LSIProf. Wolfgang Banzhaf,

Universidade de Dortmund

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ReferênciasReferências

Rogério Neves, ALIVE Project Site

http://www.lsi.usp.br/~rponeves/

ALIVE Project oficial site

http://www.lsi.usp.br/~alive/

ARTLIFE Site

http://www.lsi.usp.br/~artlife/

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FimFim