Vida Artificial Ano Lectivo 2005/2006 EvoCAD Evolution-Assisted Design Eduardo Ferreira (Nº 26524)

Apresentação em tema: "Vida Artificial Ano Lectivo 2005/2006 EvoCAD Evolution-Assisted Design Eduardo Ferreira (Nº 26524)"— Transcrição da apresentação:

1 Vida Artificial Ano Lectivo 2005/2006 EvoCAD Evolution-Assisted Design Eduardo Ferreira (Nº 26524)

2 Alinhamento da Apresentação Introdução; Mecanismos Constituintes do EvoCAD; Estruturas 2D; Estruturas 3D; Aplicações Educacionais do EvoCAD. Vida ArtificialAlinhamento – 2

3 Introdução O conceito inicial do EvoCAD surgiu em 1996 pelas mãos de dois investigadores: Pablo Funes e Jordan Pollack; Estes deram início à investigação do desenho evolucionário com peças de Lego; As simulações levadas a cabo são concebidas tendo em conta a versatilidade dada pela construtividade inerente ao Lego: –Um algoritmo evolucionário simples; –Uma simulação parcial com peças de Lego estáticas; –A combinação destes pontos permite a evolução de estruturas que são retornadas pelo computador, estando prontas a construir; Um sistema de EvoCAD possui diversas características (parte 1): –Apresenta as mesmas propriedades dos sistemas comerciais de CAD mais comuns, ao nível da produção de desenhos. Vida ArtificialIntrodução – 3

4 Introdução Um sistema de EvoCAD possui diversas características (parte 2): –O papel principal é dado ao utilizador, partindo deste o conceito para o desenho de um objecto ou estrutura; –Podem ser definidas restrições e/ou objectivos evolucionários que o motor do EvoCAD utiliza para efectuar fazer evoluir um dado desenho; –O resultado produzido por este motor evolucionário pode ser alterado, testado e re-evoluído um qualquer número de vezes; De um ponto de vista conceptual, um sistema EvoCAD apresenta dois focos de creatividade: –O utilizador humano; –O motor evolucionário do sistema; Para demonstrar estes conceitos, foi desenvolvido um pequeno sistema de EvoCAD que permite a evolução de estruturas 2D construídas com peças de Lego. Vida ArtificialIntrodução – 4

5 Introdução Este sistema permite: –Manipular estruturas em Lego; –Testar a resistência gravitacional destas estruturas através da utilização de um simulador estrutural implementado para este propósito; O EvoCAD recorre a um algoritmo evolucionário que: –Utiliza como dados iniciais os objectivos estabelecidos por um utilizador e um processo de simulação previamente definido; –Combina estes dois focos de informação para fazer evoluir soluções candidatas para a resolução dos problemas estruturais colocados; Os resultados obtidos são apresentados na interface gráfica, o que permite subsequentes re-estruturações até que seja atingida uma solução satisfatória. Vida ArtificialIntrodução – 5

6 Mecanismos Constituintes do EvoCAD Os mecanismos do sistema EvoCAD são: –Algoritmo de simulação; –Algoritmo de evolução; –Linguagem de descrição dos problemas do domínio das peças de Lego (brick problem description language - BDL); –Condicionantes a ter em conta; –Função de fitness; O algoritmo de simulação baseia-se no conceito da capacidade máxima de pressão nas juntas de peças: –Uma estrutura de Lego na qual estejam colocadas cargas torna-se numa rede de fluxo de pressão em que cada junta apresenta uma capacidade máxima; –Este tipo de algoritmo apenas aceita estruturas que não apresentem uma excesso de pressão em qualquer uma das suas juntas, sendo o fluxo global válido. Vida ArtificialMecanismos – 6

7 Mecanismos Constituintes do EvoCAD Para permitir a utilização dos operadores genéticos Mutation e Crossover, uma estrutura de Lego é representada por uma função de cariz formal: –Tem uma ou mais peças raíz com zero ou mais descendentes ligados em diversos pontos; –As mutações podem modificar a dimensão ou a posição de uma peça; –As recombinações permitem a troca de segmentos entre dois pais; O algoritmo de evolução necessita de uma estrutura inicial que consista em uma ou duas peças, para que se possa dar início ao processo evolutivo: –É atribuída uma representação genética a este conjunto inicial de peças, sento então criada a população inicial; –Os operadores genéticos Mutation e Crossover são aplicados de forma iterativa, fazendo crescer e evoluir uma população de estruturas. Vida ArtificialMecanismos – 7

8 Mecanismos Constituintes do EvoCAD O simulador é executado para cada uma das estruturas obtidas: –Testa a estabilidade e a capacidade de carga, sendo estes dados utilizados para o cálculo do valor de fitness a atribuir a cada estrutura; –A evolução termina quando todos os objectivos forem satisfeitos ou quando um número inicialmente definido de iterações for atingido; Foi definido um formalismo para a representação das peças de Lego, cujo objectivo é servir de ligação entre o algoritmo evolutivo, o simulador e a interface com o utilizador do sistema; Quando o utilizador clica no botão evolve, uma descrição BDL do estado inicial fornecido é enviada para o servidor, que, por sua vez, evolui uma solução para o problema; O resultado desta operação de evolução é enviado para o sistema CAD utilizando o mesmo formalismo. Vida ArtificialMecanismos – 8

9 Mecanismos Constituintes do EvoCAD Neste ponto, o simulador recebe estruturas codificadas com o BDL de dois pontos distintos: –Do sistema CAD (quando um utilizador deseja testar a estabilidade da sua estrutura); –Do algoritmo evolucionário, que testa todas as estruturas mutadas ou recombinadas; Os objectivos a atingir pelo algoritmo evolucionário são deduzidos das condicionantes definidas pelo utilizador: –Restrições: Regiões da área de evolução onde não é permitido que a estrutura se implante; –Pontos de destino: Pontos específicos aos quais a estrutura deverá chegar; –Pontos de pressão: Pontos específicos onde a estrutura deverá suportar uma dada carga. Vida ArtificialMecanismos – 9

10 Mecanismos Constituintes do EvoCAD Uma estrutura será considerada completamente satisfatória se: –Tocar em todos os pontos de destino definidos; –Evitar todas as regiões restritas; –Suportar as cargas especificadas em cada ponto de pressão definido; Relativamente à função de fitness, é necessário calcular um valor de fitness genérico para qualquer estrutura codificada em BDL; A função de fitness é dada pela seguinte fórmula: –d calcula a distância entre um ponto e a peça mais próxima de uma estrutura; –supp utiliza o simulador para determinar a fracção de uma dada carga que a estrutura suporta. Vida ArtificialMecanismos – 10

11 Mecanismos Constituintes do EvoCAD Vida ArtificialMecanismos – 11

12 Mecanismos Constituintes do EvoCAD Nesta figura é apresentado um exemplo de uma sessão de trabalho com o EvoCAD: –O utilizador define duas peças ground e diversas pistas evolucionárias: Restrições (x); Pontos de destino (ponto); Carga (seta); –O processo de evolução retornou a estrutura apresentada, que satisfaz todos os requisitos iniciais; –O utilizador efectua algumas correcções de cariz cosmético; –A estrutura é então construída com peças de Lego reais. Vida ArtificialMecanismos – 12

13 Estruturas 2D A Ponte de Lego (Lego Bridge) é uma estrutura, construída apenas com blocos de Lego, que é obtida por um algoritmo evolucionário que executa uma simulação computacional das propriedades físicas do Lego; O algoritmo desenvolvido obteve uma solução para o problema de construir uma estrutura semelhante a uma ponte: –Fixar o início da estrutura numa mesa; –Alongar a estrutura de forma a atingir uma mesa vizinha, percorrendo uma distância de 1,5 metros; A animação seguinte mostra o processo de criação da estrutura de Lego a partir de um único bloco de Lego, no qual acontecem as seguintes situações: –Utilização dos operadores genéticos Mutation e Crossover; –Operações de adição e remoção de parte da estrutura de um indivíduo ou bloco. Vida ArtificialEstruturas 2D – 13

14 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 14 http://helen.cs-i.brandeis.edu/pr/buildable/anim1/anim1.gif

15 Estruturas 2D A Ponte Longa (Long Bridge) é uma estrutura para a qual apenas foi pedido ao simulador que a evoluísse, tornando-a o mais longa possível (atingiu quase 2 metros de comprimento). Vida ArtificialEstruturas 2D – 15

16 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 16

17 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 17

18 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 18

19 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 19

20 Estruturas 2D O Guindaste (Crane) é uma estrutura 2D cujo braço evoluiu de forma a conseguir erguer objectos com um peso até 0,5 kg; Foi criada uma base rotativa para o guindaste, ampliando o seu leque de movimentos; Representou-se o guindaste com um conjunto de restrições; As restrições foram então fornecidas a um algoritmo genético cuja missão era encontrar um braço considerado satisfatório. Vida ArtificialEstruturas 2D – 20

21 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 21 http://helen.cs-i.brandeis.edu/pr/buildable/crane/cranesm.mpeg

22 Estruturas 2D A Árvore (Tree) é uma estrutura 2D que tenta expandir-se em altura e largura, com o objectivo de se tornar leve ao afastar-se da raíz; A acto de se tornar leve é apenas uma tentativa de maximização dos valores da sua função de fitness; Serve como demonstração de uma simulação melhorada e de um algoritmo evolucionário mais eficiente; Embora os braços da estrutura sejam muito pesados, por si só, o processo evolucionário conseguiu determinar uma estrutura que é perfeitamente equilibrada no centro. Vida ArtificialEstruturas 2D – 22

23 Vida ArtificialEstruturas 2D – 23 Estruturas 2D http://helen.cs-i.brandeis.edu/pr/buildable/tree/treesm.mov

24 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 24

25 Estruturas 2D Vida ArtificialEstruturas 2D – 25

26 Estruturas 3D Uma Lego Table (mesa de Lego), que foi a primeira experiência na evolução de estruturas 3D de Lego; Todos os modelos construídos anteriormente diziam respeito à evolução de estruturas 2D de Lego; A mesa satisfaz diversas especificações estabelecidas nas funções de fitness: –Altura: tem uma altura de 10 blocos; –Superfície: o seu topo cobre um quadrado de 9x9; –Suporte: suporta uma carga de 50 gramas em qualquer ponto da sua superfície; –Leveza: usa o menor número de blocos possível. Vida ArtificialEstruturas 3D – 26

27 Estruturas 3D Vida ArtificialEstruturas 3D – 27

28 Aplicações Educacionais do EvoCAD Estudantes podem construir estruturas, imprimí-las e construí-las com Lego real; Testar problemas de engenharia (exemplos): –Construir uma estrutura que aguente com uma certa quantia de peso; –Construir uma ponte resistente utilizando: duas peças ground bastante afastadas; recorrendo a pontos de restrição para dificultar a construção em locais considerados óbvios; O motor de inteligência artificial pode ser utilizado em qualquer momento para auxiliar um estudante: –Criar uma estrutura que se mantenha estável; –Proceder à sua análise e determinar as propriedades que a tornam estável. Vida ArtificialAplicações – 28

29 Referências Vida ArtificialReferências – 29 http://demo.cs.brandeis.edu/pr/buildable/evocad/ FUNES, Pablo, LAPAT, Louis and POLLACK, Jordan B. (2000) –EvoCAD: Evolution-Assisted Design –Artificial Intelligence in Design 00 Poster Abstracts –Key Centre of Design Computing and Cognition, University of Sydney, p. 21-24. FUNES, Pablo et al (2000) –Evolutionary Techniques in Physical Robotics –Computer Science Department, Brandeis University, Waltham, Massachussets. FUNES, Pablo and POLLACK, Jordan B. (1998) –Computer Evolution of Buildable Objects for Evolutionary Design by Computers –Computer Science Department, Brandeis University, Waltham, Massachussets.