Vida ArtificialVida Artificial

Aula Aula sobresobre veveíículosculos de de BraitenbergBraitenberg e as e as

tartarugastartarugas de Walterde Walter

ResumoResumo

•• VeVeíículosculos de de BraitenbergBraitenberg• Os conceitos por detrás dos veículos

• Introduzir vários veículos

Veículos de BraitenbergVeículos de Braitenberg

•• Valentino Valentino BraitenbergBraitenberg• Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology (1984)

• Neuro-psicólogo (cibernético) interessado em como estruturasneuronais primitivas podem dar origem a comportamentocomplexo.

• Desenvolveu um modelo simples de robôs com sensores e motores para demonstrar como é que comportamento complexopode ser gerado a partir de mecanismos simples.

•• IdeiaIdeia• Sintetizar comportamento complexo a partir de modelos simples.

Extracto do prefácio do livro: Vehicles: experiences in syntheticPsychology

Extracto do prefácio do livro: Vehicles: experiences in syntheticPsychology

•• ““SSóó iremos falar de miremos falar de mááquinas com quinas com estruturas internas muito simples, de estruturas internas muito simples, de facto demasiado simples para serem facto demasiado simples para serem interessantes do ponto de vista da interessantes do ponto de vista da engenharia mecânica ou electrengenharia mecânica ou electróónica. O nica. O interesse aparece, ao invinteresse aparece, ao invéés, quando s, quando olhamos para essas molhamos para essas mááquinas como se quinas como se fossem animais num ambiente natural.fossem animais num ambiente natural.””

Extracto do prefácio do livro: Vehicles: experiences in syntheticPsychology (cont.)

Extracto do prefácio do livro: Vehicles: experiences in syntheticPsychology (cont.)

•• ““Somos tentados, então, a utilizar uma Somos tentados, então, a utilizar uma linguagem psicollinguagem psicolóógica para os descrever. gica para os descrever. E nE nóós sabemos muito bem que não existe s sabemos muito bem que não existe nada nestes venada nestes veíículos que nculos que nóós não s não tenhamos colocado. Sertenhamos colocado. Seráá um jogo um jogo educativo interessante.educativo interessante.””

A abordagem sintéticaA abordagem sintética

•• Construir modelos e pôConstruir modelos e pô--los num los num determinado determinado meiomeio--ambienteambiente e observar o e observar o comportamento.comportamento.

Exercício de BraitenbergExercício de Braitenberg

•• O livro descreve um conjunto de experiências O livro descreve um conjunto de experiências envolvendo veenvolvendo veíículos robculos robóóticos simples.ticos simples.

•• BraintenbergBraintenberg pede ao utilizador para imaginar pede ao utilizador para imaginar como esses vecomo esses veíículos se comportarão quando culos se comportarão quando colocados em ambientes diferentes e sublinha colocados em ambientes diferentes e sublinha que mesmo os veque mesmo os veíículos muito simples muitas culos muito simples muitas vezes se comportarão de maneira complexas e vezes se comportarão de maneira complexas e surpreendentes.surpreendentes.

Exercício de Braitenberg (cont.)Exercício de Braitenberg (cont.)

•• BraintenbergBraintenberg convidaconvida--nos a antropomorfizar nos a antropomorfizar quanto quanto ààs suas invens suas invençções, atribuindoões, atribuindo--lhes, por lhes, por exemplo, emoexemplo, emoçções tais como ões tais como ““amoramor””, , ““medomedo””, , ou ou ““agressãoagressão””..

•• Claro que ele sabe (nClaro que ele sabe (nóós sabemos) que os s sabemos) que os sistemas de controle são demasiado simples sistemas de controle são demasiado simples para possuir sentimentos do tipo humano, mas o para possuir sentimentos do tipo humano, mas o seu objectivo seu objectivo éé desafiardesafiar--nos acerca de nos acerca de comportamentos e de estados internos de comportamentos e de estados internos de sistemas nervosos de msistemas nervosos de múúltiplas maneiras.ltiplas maneiras.

Exercício de Braitenberg (cont.)Exercício de Braitenberg (cont.)

•• Ele deseja que nEle deseja que nóós nos apercebamos que, s nos apercebamos que, em geral sobrestimamos a complexidade em geral sobrestimamos a complexidade do mecanismo dado o seu comportamento do mecanismo dado o seu comportamento observado.observado.

•• E ele quer que nE ele quer que nóós reconhes reconheççamos a amos a importância do importância do meiomeio--ambienteambiente quanto quanto ààforma dos padrões comportamentais.forma dos padrões comportamentais.

Características dos veículos de BraintembergCaracterísticas dos veículos de Braintemberg

•• Os sensores estão directamente ligados Os sensores estão directamente ligados aos motores.aos motores.

•• Utilizam influências de excitaUtilizam influências de excitaçção e de ão e de inibiinibiçção.ão.

•• Não são Não são reprogramreprogramááveisveis, não aprendem., não aprendem.

Veículo 1Veículo 1

Sensor

Roda e motor

Fio

O veículo 1 está equipado apenas com um sensor e um motor.

A conexão é muito simples: quantomais existir da qualidade associadaao sensor mais rápido será o motor.Se a qualidade for a temperaturaentão acelera nas regiões frias edesacelera nas zonas quentes.

Veículo 1Veículo 1

Ao acelerar na direcção da fonte do estímulo, vai “carregar” sobre elee ultrapassá-lo. Passa mais tempo nas zonas frias do que nas zonas quentes.

Veículo 1: fricçãoVeículo 1: fricção

A fricção pode não ser bem simétrica e será desviado do seu curso. A longo prazo parecerá que se está a mover numa trajectória complicada virando para um lado e para o outro sem razão aparente.

Veículo 1: fricçãoVeículo 1: fricção

O que pensaremos nós se virmos um tal veículo a nadar num lago. Não descansa nunca e não gosta de água quente. Mas é bastante estúpido já que não é capaz de se virar para explorar o lugar agradável (frio) que abandonou.No entanto, está VIVO, já que nunca vimos uma partícula de matéria a mover-sedesta maneira.

Veículo 1: inibiçãoVeículo 1: inibição

O veículo 1 está equipado apenas com um sensor e um motor.

Inverte-se a conexão eentão acelera nas regiões frias edesacelera nas zonas quentes.

Veículo 2Veículo 2

Sensores

Rodas e motores

Fios

Fonte sensorial

Quanto mais são excitados os sensores mais rápidos serão os motores

Três tipos de Veículos 2Três tipos de Veículos 2

Ignoremos o caso c: corresponde a uma versão mais luxuriosa do veículo 1.

Veículo 2Veículo 2

Sensores (sensores de luz) ligados directamente aos motores do mesmo lado

O que acontece quando a luz é emitidade um dos lados?

E directamente em frente?

Veículo 2: CobardeVeículo 2: Cobarde

Manobra para longe da fonte

Carrega sobre a fonte se estiver emfrente dela.

Descansa na escuridão

Variação no Veículo 2Variação no Veículo 2

Os sensores estão ligados directamente aos motores do lado oposto

O que acontece quando a luz éemitida de um dos lados?

E directamente em frente?

Variação no Veículo 2: AgressivoVariação no Veículo 2: AgressivoSensores ligados directamente aos motores do lado oposto

Vira na direcção da fontee carrega sobre ela

Mantém-se na escuridão

Carrega sobre a fonte se estiver emfrente dela.

Resumo do Veículo 2:Resumo do Veículo 2:

Ambos não gostam das fontes de estímulo.

Veículo 3Veículo 3

Sensores ligados através de um inversor aos motores do mesmo lado.Ambos abrandarão perante a presença de um estímulo forte e “speedarão” na ausência de estímulo. Dispendem mais tempo na vizinhança da fonte e menos tempo longe dela. Se calhar pararão perto da fonte do estímulo.

- -

- -

a b

Veículo 3Veículo 3

Sensores ligados através de um inversor aos motores do mesmo lado

Directamente em frente?

-

-

- -

O que acontece quando a luz éemitida de um dos lados?

Veículo 3: AmorVeículo 3: Amor

-

-

-

-

Vira-se na direcção daluz e imobiliza-se

Move-se na escuridão

-

-

Sensores ligados através de um inversor aos motores do mesmo lado

Move-se em frente e imobiliza-se

Veículo 3: motores cruzadosVeículo 3: motores cruzados

Os sensores estão ligados através de inversores aos motores opostos

E directamente em frente?

-

-

- -

O que acontece quando a luz éemitida de um dos lados?

Veículo 3: ExploradorVeículo 3: Explorador

Os sensores estão ligados aos motores opostos através de inversores

-

--

-

-

-

Afasta-se da fonte de luz

Pára perto do alvo

Move-se na escuridão

Resumo do Veículo 3Resumo do Veículo 3

Ambos gostam da fonte de estímulo mas de maneiras diferentes.Um gosta dela de um modo permanente, parando a admirá-la e o segundo gosta da fonte mas mantém os olhos abertos para outros estímulos não explorados, talvez mais fortes

Super-Veículo 3Super-Veículo 3

Um veículo multi-sensorial com 4 pares de sensores, sintonizadoscom diferentes qualidades do meio-ambiente: luz, temperatura, concentração de oxigénio e quantidade de matéria orgânica. Ligamosos vários pares de sensores aos motores através de ligações de inibição e de excitação.

3c

Super-veículo trois animadoSuper-veículo trois animado

L

R

TL

OL

F L

LL

LR

F R

OR

TR

L:Luz

L:Luz

C:Comida

F:Comida

O:Oxygen

O:Oxygen

T:Temperatura

T:Temperatura

Super-AnáliseSuper-Análise

Estamos perante um veículo realmente interessante. Não gosta de temperaturas elevadas, afasta-se de lugares quentes, e ao mesmotempo parece não apreciar lâmpadas com maior paixão ainda já que se vira na sua direcção e carrega sobre elas destruindo-as. Por outrolado, parece definitivamente que gosta de lugares bem oxigenadosque contêm muitas moléculas orgâncias já que passa muito tempo nesses lugares. Tem o hábito de procurar outros lugares quando a matéria orgânica é reduzida e em especial no caso do baixo teor de oxigénio.

O Veículo 3c possui um sistema de VALORES e de SENSATEZ jáque destruir lâmpadas tendem a aquecer o meio-ambiente e torná-lo pouco confortável.

Calma estamos só a brincarcom motores e sensores.Calma estamos só a brincarcom motores e sensores.

Isso é absolutamente ridículo!

Existem apenas motores e sensores e ligações directas ou cruzadas do tipo inibição e do tipo excitação.

Temos de ter cuidado com o uso de tais palavras: sensatez e sistema de valores.

A variedade ainda aumentará se tivermos diferentes tipos de influência dos sensores para os motores: fortes e fracas. Pode preocupar-se pouco com a temperatura e muito com a luz.

Veículo 4: Valores e GostosParticularesVeículo 4: Valores e GostosParticulares

Até aqui tínhamos dois tipos de conexões dos sensores para osmotores:

Quanto mais excitado o sensor mais rápido o motor

Quanto mais excitado o sensor mais lento o motor

Estamos perante conexões incondicionais.

Vamos então melhorar.

Veículo 4: Conexões não monótonasVeículo 4: Conexões não monótonas

Vamos então melhorar.

A activação de um sensor fará acelerar o motor correspondente mas só até um certo ponto (o ponto máximo) a partir do qual caso o sensor esteja ainda mais activo, avelocidade diminuirá. O mesmo poderá acontecer para conexões inibitórias.Até poderemos fazer mais do que um máximo. Podemos também combinar conexões do tipo monótono com conexões do tipo não monótono.

Veículo 4: Trajectórias redondasVeículo 4: Trajectórias redondas

Um veículo poderá navegar de encontro a uma fonte e depois virar e afastar-se quando o estímulo estiver forte, contornar a fonte de luz e depois descrever um 8.

Ou poderá orbitar à volta da fonte de estímulo a uma distância constante como um satélite.

Ou perder-se entre “dois amores”

Veículo 4: InstintosVeículo 4: Instintos

Depois de colocar os veículos perante um ambiente rico em estímulos, ficaremos deleitados com as suas trajectórias complicadas.

Braitenberg está confiante que os motivos destes veículos são demasiado complicados e intrincados para serem compreendidos pelo observador.

Eles serão governados por INSTINTOS.

Veículo 4: Funções de passo (limiar)Veículo 4: Funções de passo (limiar)

Vamos adicionar um novo tipo de conexão entre os sensores e os motores.

A influência dos sensores nos motores vai deixar de ser suave, teremos quebras ou saltos abrutos.

Poderão existir gamas de valores dos estímulos, cujos valores dos sensores não são suficientes para excitar os motores e depois, a partir de um certo ponto passam a rolar em velocidade máxima.

Padrão do mundo vivo: até um certo ponto nada e a partir de um limiar temos a activação.

Veículo 4: Decisões ponderadasVeículo 4: Decisões ponderadas

Os limiares sob os comportamentos farão grande diferença na análise de um observador.

O observador “would say” que os veículos ponderam as suas DECISÕES.

Onde as decisões estão a ser tomadas existe uma VONTADE de as tomar.

A lei da análise “uphill” e dainvenção “downhill”A lei da análise “uphill” e dainvenção “downhill”É agradável e fácil criar pequenas máquinas que vazem certos truques. Étambém relativamente fácil observar o reportório completo de tais máquinas-mesmo que vá para lá do que foi inicialmente planeado, o que acontece com frequência.

É muito mais difícil começar de fora e tentar adivinhar qual a estrutura interna apenas através da observação do comportamento. É impossível em teoria determinar exactamente qual o mecanismo escondido sem abrir a caixa. Existem muitos mecanismos com comportamentos idênticos.

A análise é muito mais difícil do que a invenção.

Quando analizamos um mecanismo temos a tendência se sobrestimar a sua complexidade

Veículo 6: Selecção, engenheiroimpessoalVeículo 6: Selecção, engenheiroimpessoalEntre os diversos veículos criados até agora, pegamos nos espécimes mais complicados e colocamo-los numa mesa.

Estamos perante um conjunto de componentes e enquanto os veículos se divertem sobre a mesa nós vamos copiando alguns deles e colocando-os na mesa.

Alguns deles caiem e dificielmente serão copiados.

As cópias terão erros porque tendemos a quer apressarmo-nos de modo a que os veículos não caiem antes de serem copiados.

Os bons designs sobreviverão e os maus não

Problema do quadro de referência”Problema do quadro de referência”

•• ÀÀ tendência para colocarmos a razão da complexidade do tendência para colocarmos a razão da complexidade do comportamento de um organismo no prcomportamento de um organismo no próóprio organismo e não no prio organismo e não no ambiente ou na interacambiente ou na interacçção entre organismo e ambiente, ão entre organismo e ambiente, PfeiferPfeifer e e SchelerScheler chamaram de problema do Quadro de Referência.chamaram de problema do Quadro de Referência.

•• O comportamento de um organismo resulta da interacO comportamento de um organismo resulta da interacçção sistema ão sistema -- meiomeio--ambienteambiente..

•• A abordagem sintA abordagem sintéética mostra que simples organismos colocados tica mostra que simples organismos colocados em ambientes determinados são capazes de gerar em ambientes determinados são capazes de gerar comportamentos complexos..comportamentos complexos..

Grey Walter (1910-1977)Grey Walter (1910-1977)

Grey Walter a soldar ElsieGrey Walter a soldar Elsie

Elsie e Elmer: (aqui só Elsie)Elsie e Elmer: (aqui só Elsie)

Uma cópia de Elsie: Machina Especulatrix

Dois sensores: um de luz e outro de toque.O primeiro (célula fotoeléctrica) apontavapara onde apontava a roda da frente. O segundo era um contacto eléctrico que ficava activo sempre que a concha tocava emalguma coisa

Dois motores: um para fazer andar as rodasde trás e outro para rodar a roda da frente dotriciclo robótico.

Características das tartarugasCaracterísticas das tartarugas

•• ParsimParsimóóniania –– reflexosreflexos simples simples comocomo base base parapara o o comportamentocomportamento

•• AtracAtracççãoão ((tropismotropismo positivopositivo) ) –– movemove--se se ememdirecdirecççãoão àà luzluz moderadamoderada

•• AversãoAversão ((tropismotropismo negativonegativo) ) evitaevita osos obstobstááculosculos..•• ExploraExploraççãoão ouou especulaespeculaççãoão: : nuncanunca estestáá quietaquieta a a

nãonão ser ser quandoquando estiverestiver a ser a ser recarregadarecarregada•• DiscernimentoDiscernimento: : ÉÉ capazcapaz de de distinguirdistinguir entreentre

comportamentocomportamento produtivoprodutivo e e improdutivoimprodutivo

Comportamentos da tartarugaelectrónica

•• ProcuraProcura a a luzluz: O : O sensor sensor rodavarodava atatéédetectardetectar umauma fracofracoestestíímulomulo de de luzluz

•• OrientarOrientar--se se nanadirecdirecççãoão de de fontesfontesfracas de fracas de luzluz

•• AfastarAfastar--se de se de fontesfontesfortes de fortes de luzluz

•• RodarRodar e e recuarrecuar ((paraparaevitarevitar obstobstááculosculos))

•• RecarregarRecarregar a a bateriabateria ––quandoquando a a cargacarga éé baixabaixa, , a a luzluz forte forte tornatorna--se se atractivaatractiva, , éépercepcionadapercepcionada comocomofracafraca..

•• A A tartarugatartaruga terminavaterminavacom a com a acacççãoão de de recargarecarga–– quandoquando a a luzluz se se tornavatornava forte de novo.forte de novo.

Arbitragem de comportamentos

•• Os Os comportamentoscomportamentos têmtêm prioridadesprioridades do do maismais baixobaixo parapara o o maismais alto alto nana ordemordem::

• Procurar a luz

• Mover-se para/afastar-se da luz

• Evitar obstáculos

Comportamento da tartaruga

•• ComplexidadeComplexidade moderadamoderada

•• MoverMover--se se explorandoexplorando o o espaespaççoo e e evitandoevitandoosos obstobstááculosculos, , recarregandorecarregando--se se sempresemprequeque fosse fosse necessnecessááriorio..

Elsie perante luz e obstáculoElsie perante luz e obstáculo

Elsie visita duas fontes de luz: escolha da segunda fonteElsie visita duas fontes de luz: escolha da segunda fonte

Elsie e a zona de recargaElsie e a zona de recarga

Elsie a sair da zona de recargaElsie a sair da zona de recarga

A dança do espelho:Um Narciso Irrequieto

A dança do espelho:Um Narciso Irrequieto

O Análogo Robótico à Parábolada Formiga de SimonO Análogo Robótico à Parábolada Formiga de Simon

•• As As trajectoriastrajectorias são complicadassão complicadas

•• Essa complexidade não se reflecte na Essa complexidade não se reflecte na complexidade interna da tartarugacomplexidade interna da tartaruga

•• Depende da complexidade da interacDepende da complexidade da interacççãoão

[Jason’s postscript: You’re making something that follows simple rules, interacting with its environment to give the illusion of life.]

O Análogo Robótico à Parábolada Formiga de SimonO Análogo Robótico à Parábolada Formiga de Simon

Perante a trajectória de umaformiga

O Análogo Robótico à Parábolada Formiga de Simon (cont.)O Análogo Robótico à Parábolada Formiga de Simon (cont.)

Simon afirma que depende mais da interacção com o meio-ambiente do que dos seus mecanismos internos.

ConclusãoConclusão

Podemos gerar um comportamento complexo combase na interacção dos vários componentes simplese da interacção desses componentes com omeio exterior.