Artificial Life in Virtual Environments

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

2. 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 Environments

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

4. Formação 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. Artificial Life in Virtual Environments

5. Matérias Cursadas Artificial Life in Virtual Environments

6. Atividades em Grupos • Grupo Roda Viva • Grupo de Ciências Cognitivas • Grupo de Vida Artificial Artificial Life in Virtual Environments

7. 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: 981-04-7520-9 (2002) Artificial Life in Virtual Environments

8. Apresentações Neves, Rogério P. O. and Netto, Marcio L. “A Virtual Reality Framework for Life Simulations” 1st International Conference on Bioinformatics and Computational Biology IcoBiCoBi’03 – Ribeirão Preto – SP Artificial Life in Virtual Environments

9. 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 IcoBiCoBi’03 – Ribeirão Preto – SP Artificial Life in Virtual Environments

10. Atividades do Mestrado No. Atividades • Cumprimento dos créditos relativos a disciplinas • Pesquisa bibliográfica e levantamento de projetos semelhantes • Planejamento do projeto • Implementação da plataforma do projeto • Estudos de caso utilizando a plataforma implementada • Análise dos resultados obtidos • Manutenção da página do projeto • Elaboração de artigos e participação em eventos • Redação do texto da dissertação • Qualificação • Defesa Artificial Life in Virtual Environments

11. Cronograma Artificial Life in Virtual Environments

12. 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 Environments

13. 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 Environments

14. 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 Environments

15. 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 Environments

16. 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 Environments

17. Problemas Abertos em VA Como a vida surge da não-vida? • Gerar um proto-organismo molecular in-vitro; • Atingir a transição para vida de um composto químico artificial in-silico; • Determinar fundamentalmente se um organismo fictício pode existir; • Simular um organismo unicelular em todo o seu ciclo de vida; • Explicar como regras e símbolos são gerados da dinâmica física em sistemas vivos; Artificial Life in Virtual Environments

18. Problemas Abertos em VA Quais são os potenciais e limites dos sistemas vivos? • Determinar o que é inevitável na evolução aberta da vida; • Determinar as condições mínimas para transições evolucionárias de sistemas de resposta específicos para genéricos; • Criar um modelo formal para sintetizar hierarquias dinâmicas em todas as escalas; • Determinar a previsibilidade das conseqüências evolutivas da manipulação de organismos e ecossistemas; • Desenvolver uma teoria de processamento, fluxo e geração de informação para sistemas em desenvolvimento; Artificial Life in Virtual Environments

19. Problemas Abertos em VA Como a vida se relaciona com a mente, as máquinas e a cultura? • Demonstrar a emergência de inteligência e mente em um sistema de vida artificial; • Avaliar a influência de máquinas na próxima transição evolutiva da vida; • Prover um modelo quantitativo da conexão entre evolução biológica e cultural; • Estabelecer princípios éticos para experimentos em vida artificial. Bedau et. al – Open Problems in Artificial Life PARA MAIS INFORMAÇÕES... Artificial Life in Virtual Environments

20. Exemplos de Programas de VA Artificial Life in Virtual Environments

21. 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 Environments

22. 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 Kreyszig – Advanced Engineering Mathematics PARA MAIS INFORMAÇÕES... Artificial Life in Virtual Environments

23. Exemplos de Técnicas • Máquinas de estado • Sistemas não lineares e caos • Lógica nebulosa • Redes neurais artificiais Artificial Life in Virtual Environments

24. 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 Environments

25. Autômato Celular Regra 90 Artificial Life in Virtual Environments

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

27. 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 Environments

28. Diagrama de Bifurcação Diagrama de Bifurcação Artificial Life in Virtual Environments

29. 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 Lotfi Zadeh – Computing With Words in Information PARA MAIS INFORMAÇÕES... Artificial Life in Virtual Environments

30. Redes Neurais Artificiais Artificial Life in Virtual Environments

31. Redes Neurais Artificiais • Armazena informação nos pesos wx • Circuito Integrador espacial-temporal Artificial Life in Virtual Environments

32. 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 Environments

33. 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 Environments

34. 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 Evolutionary search for Fuzzy Logic Controllers EXEMPLO... Artificial Life in Virtual Environments

35. 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 Environments

36. 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 Environments

37. 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 Environments

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

39. 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 Environments

40. Grafo de Cena em Java3D Artificial Life in Virtual Environments

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

42. Interatividade • Mouse • Keyboard • Gloves • Wands • Other tracking devices Through Java3D picking behaviour Artificial Life in Virtual Environments

43. Arquitetura da plataforma Artificial Life in Virtual Environments

44. Arquitetura da Plataforma Artificial Life in Virtual Environments

45. Arquitetura da Plataforma Artificial Life in Virtual Environments

46. Configuração do Ambiente Artificial Life in Virtual Environments

47. 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 Environments

48. Experimentos Artificial Life in Virtual Environments

49. Sistema Presa-Predador Artificial Life in Virtual Environments

50. Sistema Presa-Predador Artificial Life in Virtual Environments