2004: Computação Natural (Cybertecnica)

Computação Natural e Aplicações Computação Natural e Aplicações

Leandro Nunes de Castro

[email protected]

Programa de Mestrado em Informática

Universidade Católica de Santos

Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 2

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 no que isso afetaria 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.


TópicosTópicos

• Parte I: Motivação– Algumas idéias e desafios

• Parte II: Computação Natural– Computação inspirada na natureza– Vida artificial e geometria fractal da natureza– Computação com mecanismos biológicos

PARTE IPARTE I

IntroduçãoIntrodução


Perguntas Perguntas ddifíceisifíceis((Logística)Logística)

• Quantas são as possíveis rotas?


Perguntas Perguntas ddifíceisifíceis((Simulação de Fenômenos Biológicos)Simulação de Fenômenos Biológicos)


• Lei de Moore:– O poder de processamento computacional

baseado em tecnologia de silício dobra aproximadamente a cada dois anos

– No final desta década atingiremos os limites físicos dos chips computacionais!

Perguntas Perguntas ddifíceisifíceis((Novas TecnologiasNovas Tecnologias))


O O qque estas ue estas pperguntas erguntas ttêm em êm em ccomum?omum?• Todas elas envolvem uma quebra de

paradigma

Onde podemos procurar respostas?Onde podemos procurar respostas?

• Aonde estes problemas/dificuldades já vêm sendo resolvidos/tratados há muito tempo?...NA NATUREZANA NATUREZA!

PARTE IIPARTE II

Computação NaturalComputação Natural


Da natureza à computação:Da natureza à computação:Computação NaturalComputação Natural

• A computação natural caracteriza-se por uma maior proximidade com a natureza

PARTE II-APARTE II-A

Computação Inspirada na Computação Inspirada na NaturezaNatureza


Computação inspirada na natureza (1)Computação inspirada na natureza (1)• Redes neurais artificiais• Computação evolutiva• Sistemas imunológicos artificiais• Sistemas baseados em comportamentos

coletivos• Modelos de crescimento e desenvolvimento• Algoritmos culturais• Simulated Annealing• etc.


Computação inspirada na natureza (2)Computação inspirada na natureza (2)


Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações

• Computação Evolutiva/Redes Neurais: Reconhecimento de Padrões



• Redes Neurais

Neural Network DESIGN Perceptron Classification

Click [Go] to send afruit dow n the beltto be classif ied by aperceptron netw ork.

The calculations forthe perceptron w illappear to the left.

Chapter 3

Fruit

SHAPE: ? TEXTURE: ? WEIGHT: ?

Neural

Network

Oranges

Apples

W = [0 1 0]

b = 0

p = [?; ?; ?]

a = hardlims(W*p+b)

a = hardlims(?)

a = ?

Fruit = ?-1

1

-1

1

-1

1

shape

Input Space

texture

wei

gh

t



• Computação Evolutiva/Sistemas Imunológicos: Otimização de Sistemas e Processos


• Sistemas Imunológicos: Detecção de Falhas e Anomalias



• Sistemas Imunológicos: Navegação Autônoma



• Controle de robôs autônomos



• Porquê computação inspirada na natureza?– Porque muitos problemas não podem ser

resolvidos utilizando as técnicas tradicionais (p.ex. programação dinâmica, linear, inteira, etc.)

– Conhecimento e operação distribuída– Sistemas probabilísticos– Capacidade de adaptação– Robustez

Computação inspirada na naturezaComputação inspirada na natureza

PARTE II-BPARTE II-B

Vida ArtificialVida Artificial

&&

Geometria Fractal da NaturezaGeometria Fractal da Natureza


• Vida artificial:– “Vida artificial é o estudo de sistemas feitos pelo

homem que exibem comportamentos característicos de sistemas naturais. Ela complementa as ciências biológicas preocupadas com a análise de organismos vivos tentando sintetizar em computador ou outro meio comportamentos similares aos de organismos vivos. A vida artificial contribui para a biologia localizando a vida-como-nós-a-conhecemos dentro de um contexto mais amplo da vida-como-ela-poderia-ser.” (Chris Langton)

Vida artificial (1)Vida artificial (1)


• Boids



• AIBO ERS 210



• Construção de colméias



• Criaturas (Creatures)



• Peixes artificiais



• Engarrafamento de trânsito



• A vida como ela poderia ser



• Porquê Vida Artificial?– Aumenta nossa compreensão da natureza– Aumenta nossas perspectivas sobre novas

formas de ‘vida’ e os diversos modelos da natureza

– Desenvolvimento de novas tecnologias: softwares, robôs, jogos interativos, computação gráfica, sistemas educacionais

– Etc.



Geometria fractal da natureza (1)Geometria fractal da natureza (1)

• Autômatos celulares

• Sistemas de funções iterativas

• Sistemas de Lindenmeyer

• Movimento Browniano

• Computação evolutiva

• etc.


• Autômatos celulares



• Sistemas de funções iterativas



• Sistemas de Lindenmeyer



• Movimento Browniano



• Computação evolutiva



• Porquê geometria computacional?– Uma forma “barata” computacionalmente de

gerar modelos da natureza– Estudos de sistemas biológicos: vegetações

extintas, projeto de novas variedades de plantas, estudo do processo de crescimento e desenvolvimento de plantas, auxílio para fazendeiros e paisagistas, predição de colheita, etc.


PARTE II-CPARTE II-C

Computação com Mecanismos NaturaisComputação com Mecanismos Naturais


Computação com mecanismos naturaisComputação com mecanismos naturais

• Computação molecular– Computação de DNA– Computação de RNA– Computação de membrana

• Computação quântica

• Neurocomputação

• etc.


• Um único exemplo: – Computação de DNA



A Computação no Novo Milênio (A Computação no Novo Milênio (11))• Algumas das idéias que fundamentam a

computação natural:– Capacidade de tratar problemas não-lineares– Sistemas multi-agentes (A união faz a força!)– Capacidade de manipular informações

imprecisas de forma imprecisa– Robustez– Distributividade– Auto correção– etc.


• Da singularidade à pluralidade

A Computação no Novo Milênio (A Computação no Novo Milênio (22))


• A importância da natureza aumentou!

A Computação no Novo Milênio (A Computação no Novo Milênio (33))


Até onde podemos ir?

Perguntas?

[email protected]

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