Artificial Life in Virtual Environments1 Rogério Perino de Oliveira Neves Laboratório de Sistemas integráveis Grupo de Vida Artificial

Artificial Life in Virtual Environments2 Partes da Apresentação Apresentação do candidato (8) Introdução do projeto (22) Especificação do projeto (11) Resultados parciais (5) Observações finais (4)

Artificial Life in Virtual Environments3 Candidato Rogério Perino de Oliveira Neves Data de Ingresso: 5 de Agosto de 2001 Orientador: Marcio Lobo Netto

Artificial Life in Virtual Environments4 Formação do Candidato Bacharel em Física, opção Física Computacional, , Instituto de Física de São Carlos, USP. Técnico em eletrônica, especialização em eletrônica digital, , Fundação Instituto Tecnológico de Osasco.

Artificial Life in Virtual Environments5 Matérias Cursadas DisciplinaPerCo PCS – Metodologia de Desenvolvimento de Interfaces Homem-Computador 3/01B PEE – Fundamentos à Ciência Cognitiva3/01A PEE – Redes de Neurônios Artificiais com Bifurcação e Dinâmica Caótica 3/01A PCS – Computação Fuzzy1/02C PEE – Processamento Digital de Imagens1/02A PMR – Fundamentos da Robótica1/02A PSI – Vida Artificial e Ambientes Virtuais em Computação Gráfica 1/02A

Artificial Life in Virtual Environments6 Atividades em Grupos Grupo Roda Viva Grupo de Ciências Cognitivas Grupo de Vida Artificial

Artificial Life in Virtual Environments7 Publicações 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: (2002)

Artificial Life in Virtual Environments8 Apresentações Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L. A Virtual Reality Framework for Life Simulations 1st International Conference on Bioinformatics and Computational Biology IcoBiCoBi03 – Ribeirão Preto – SP

Artificial Life in Virtual Environments9 Artigos Aguardando Deferimento Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L. Artificial Life in Virtual Reality Environments XVI Brazilian Symposium on Computer Graphics and Image Processing SIBGRAPI 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 Biology IcoBiCoBi03 – Ribeirão Preto – SP

Artificial Life in Virtual Environments10 Atividades do Mestrado No.Atividades 1. Cumprimento dos créditos relativos a disciplinas 2. Pesquisa bibliográfica e levantamento de projetos semelhantes 3. Planejamento do projeto 4. Implementação da plataforma do projeto 5. Estudos de caso utilizando a plataforma implementada 6. Análise dos resultados obtidos 7. Manutenção da página do projeto 8. Elaboração de artigos e participação em eventos 9. Redação do texto da dissertação 10. Qualificação 11. Defesa

Artificial Life in Virtual Environments11 Cronograma

Artificial Life in Virtual Environments12 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

Artificial Life in Virtual Environments13 Vida 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.

Artificial Life in Virtual Environments14 Conceitos 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

Artificial Life in Virtual Environments15 Abordagens 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

Artificial Life in Virtual Environments16 Tipos 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

Artificial Life in Virtual Environments17 Problemas 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;

Artificial Life in Virtual Environments18 Problemas 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;

Artificial Life in Virtual Environments19 Problemas 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

Artificial Life in Virtual Environments20 Exemplos de Programas de VA

Artificial Life in Virtual Environments21 Simulação 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

Artificial Life in Virtual Environments22 Dinâmica 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

Artificial Life in Virtual Environments23 Exemplos de Técnicas Máquinas de estado Sistemas não lineares e caos Lógica nebulosa Redes neurais artificiais

Artificial Life in Virtual Environments24 Máquinas de Estado Estado atual determinado por um ou mais estados anteriores Representação por tabelas, grafos de estado ou relações IF-THEN-ELSE

Artificial Life in Virtual Environments25 Autômato Celular Vizinho à esquerdaEstado atualVizinho à direitaNovo estado Regra 90

Artificial Life in Virtual Environments26 Autômato Celular Regra 45 Regra 90 Regra 170 PARA MAIS INFORMAÇÕES... Wolfram – A New Kind of Science

Artificial Life in Virtual Environments27 Sistemas 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.

Artificial Life in Virtual Environments28 Diagrama de Bifurcação

Artificial Life in Virtual Environments29 Lógica 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

Artificial Life in Virtual Environments30 Redes Neurais Artificiais

Artificial Life in Virtual Environments31 Redes Neurais Artificiais Armazena informação nos pesos w x Circuito Integrador espacial-temporal

Artificial Life in Virtual Environments32 Algoritmos 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

Artificial Life in Virtual Environments33 Algoritmos 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

Artificial Life in Virtual Environments34 Algoritmos 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

Artificial Life in Virtual Environments35 Características 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

Artificial Life in Virtual Environments36 Motivação 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

Artificial Life in Virtual Environments37 Recursos 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

Artificial Life in Virtual Environments38 Tecnicas ferramentais Programação Orientada a Objetos Cálculo vetorial Multi-Agentes eletrônicos Programação concorrente/distribuida Conceitos de VA

Artificial Life in Virtual Environments39 Java 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

Artificial Life in Virtual Environments40 Grafo de Cena em Java3D

Artificial Life in Virtual Environments41 Visualização Direcionado, porém não limitado a Caverna digital Aceleradoras gráficas Monitores e Shutter Glasses HMD

Artificial Life in Virtual Environments42 Interatividade Mouse Keyboard Gloves Wands Other tracking devices Through Java3D picking behaviour

Artificial Life in Virtual Environments43 Arquitetura da plataforma

Artificial Life in Virtual Environments44 Arquitetura da Plataforma

Artificial Life in Virtual Environments45 Arquitetura da Plataforma

Artificial Life in Virtual Environments46 Configuração do Ambiente

Artificial Life in Virtual Environments47 Experimentos Testes da plataforma Evolução em um sistema presa-predador Escola de peixes (em desenvolvimento) Demonstrações em biologia –Fungos –Sistema imunológico –Mitose

Artificial Life in Virtual Environments48 Experimentos

Artificial Life in Virtual Environments49 Sistema Presa-Predador

Artificial Life in Virtual Environments50 Sistema Presa-Predador

Artificial Life in Virtual Environments51 Dinâmica Celular

Artificial Life in Virtual Environments52 Escola de Peixes

Artificial Life in Virtual Environments53 Aplicações 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)

Artificial Life in Virtual Environments54 Conclusões 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

Artificial Life in Virtual Environments55 Agradecimentos Marcio Netto, LSI Claudio Ranieri, LSI Prof. Wolfgang Banzhaf, Universidade de Dortmund

Artificial Life in Virtual Environments56 Referências Rogério Neves, ALIVE Project Site ALIVE Project oficial site ARTLIFE Site

Artificial Life in Virtual Environments57 Fim