Formigas & Organizações Do Natural ao Artificial Vitorino Ramos [IST + UCP]

Formigas & Organizações Do Natural ao Artificial Vitorino Ramos [IST + UCP] http://alfa.ist.utl.pt/~cvrm/staff/vramos [...] Living organisms are consummate problem solvers. They exhibit a versatility that puts the best computer programs in shame [...] John H. Holland, Scientific American, pp. 44-50, July 1992. Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP …é provávelmente a mais antiga das organizações presentes no Planeta Terra… sobrevivendo século após século às mais radicais das mudanças, sem nunca ter tido um lider… Nem sequer um plano • não-linearidade, emergência, co-evolução e auto-organização Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 • Para lidar com a complexidade do mundo actual, em ambientes de negócios em constante alteração e mutação, as organizações terão cada vez mais de adoptar comportamentos adaptativos, tenderão a portar-se como organismos vivos. • A utilização de equipas, sobretudo auto-organizadas e descentralizadas a partir das suas propriedades reactivas e emergentes poderá ser umas das formas de atingir esse propósito. • Inteligência de Enxame

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 A emergência de ordem a partir de um estado total ou parcial de entropia e a convergência para uma estrutura espacial ou padrão temporal particular em sistemas naturais e sociais colectivos, compostos por inúmeras partes em interacção (por cooperação ou competição), é um dos fenómenos complexos mais intrigantes e apaixonantes estudados por muitos ramos da ciência actual, incluindo o da Vida Artificial, que o faz pelo desenvolvimento e pesquisa de algoritmos computacionais do tipo bottom-up. Que mecanismos permitem então a emergência de ordem nestes sistemas naturais colectivos ?

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Bactérias em crescimento A estrutura de um Pólen Padrões adoptados por alguns tipos de baratas Lama fracturada em periodo de seca Padrões e estruturas similares existem um pouco por todo o mundo natural. Em geral todos eles partilham um mesmo padrão característico, adoptando estruturas alongadas ou modulares.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Trata-se de pura coincidência ?! Talvez de uma falta de creatividade da Natureza ?! Dominância ocular no cortex visual de um Macaco (Uma Zebra ?) As fissuras encontradas ao microscópia electrónico de uma superficie pintada A estrutura peculiar do exterior de uma Concha A pigmentação de pele adoptada por um tipo de Peixe

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Padrões dinâmicos da areia de um deserto Um “jardim” de fungos Uma couve cortada ao meio Certamente que não. Embora estas estruturas não possuam relações óbvias entre si, as suas partes constituintes (neurónios, células de pigmentação, grãos de areia, etc) partilham do mesmo mecanísmo fundamental pelas quais padrões emergem, caminhando da entropia para um tipo especial de ordem, ... um padrão colectivo organizado.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Os sistemas tecnológicos tornam-se organizados por comandos exteriores ao próprio sistema, tal como quando as intenções de um ser Humano conduzem à construção de uma Máquina ou estrutura mecânica. Mas muitos dos sistemas naturais tornam-se estruturados a partir dos seus próprios processos internos: estes são os sistemas auto-organizados e a emergência de ordem dentro deles é um fenômeno complexo. F. E. Yates et al. , Self-Organizing Systems: The Emergence of Order, 1982.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Contudo, apesar do fenómeno em si ser complexo, não significa por essa razão que o mecanismo a ele subjacente seja igualmente complexo. De facto, estratégias simples (ex.: algoritmos) podem conduzir a fenómenos altamente complexos, ou a padrões similares aqueles que encontramos na natureza. Ver por exemplo: Chris Langton, Life at the edge of Chaos Theory (anos 70) Per Bak, Self-Organized Criticality Theory (anos 70-80) e Sand Pile Model. Stephen Wolfram, A New Kind of Science (2002).

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Exemplo: Autómatos Celulares Cada uma destas células pode tomar o valor ZERO (BRANCO) ou UM (NEGRO); Regra 126 T+1

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 RESULTADO:

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Nestes sistemas colectivos naturais, uma primeira hipótese que se coloca, antropomórfica, é a de que se assume que as partes possuem uma representação global da estrutura a ser desenvolvida, realizando decisões na base dessa mesma representação (“mental” ou outra). Mas de facto não é assim... Na realidade, as partes constituintes desenvolvem trocas simples de informação ao nivel mais baixo de complexidade do sistema, interagindo entre si (ex.: respondendo básicamente a estimulos), de um modo puramente local e sem referência a um qualquer plano pré-concebido ou exterior. Scott Camazine et al. , Self-Organization in Biological Systems, Princeton Studies in Complexity, 2001.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 “...e os milhares de peixes moveram-se como uma enorme besta, revolvendo a água em seu redor. Aparentemente unidos, e inexorávelmente conectados a um destino comum. De onde surge esta unidade ?” Anónimo, século 17(Shaw)

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Comportamento colectivo Movimento de Grupo do “Super-organismo” Bando de Aves A Vida artificial vai estudar que mecanismos básicos ao nivel minimo de complexidade, são possiveis de implementar de modo a fazer emergir o Todo (o nivel mais alto de complexidade). Sendo impossivel essa determinação, a Vida artificial emprega estratégias mais sofisticadas de procura, como Algoritmos Genéticos. Dinâmica (Bottom-Up) Decomposição (Top-Down) Regras elementares locais, bem como de interacção Equações Diferenciais; Avaliação do centro de massa do grupo em T

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 + + =... { } [coesão] [alinhamento] [separação] = S + E = “Todo” [vizinhança] O todo é superior à soma individual das partes (S). Aquilo que difere entre, a soma total das partes, e o todo, é resultado da dinâmica não-linear das interacções entre as partes (E), ... a emergência do comportamento de grupo.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Não existe qualquer dependência a nenhum tipo particular de esquema representativo. O comportamento desejado é distribuído e minimamente especifícado, em simultâneo pelas múltiplas partes, ... ... existindo uma especificação minímal do mecanísmo necessário para gerar o comportamento do Todo, isto é, ... ... O comportamento global emerge das muitas relações entre os múltiplos, simples e locais comportamentos. O sistema “vive” para ... e com a Sinergia. Dinâmica (Bottom-Up) Emergência F-Tipo G-Tipo [coesão] [alinhamento] [separação]

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Mecanismos da Auto-Organização: Número de Individuos Mortes Nasçimentos Ciclo de Reforço Negativo (“feedback” negativo) Ciclo de Reforço Positivo (“feedback” positivo) Pequenas Flutuações Um modelo simples de crescimento populacional envolvendo ciclos de reforços, positivos e negativos e que origina um padrão convergente a partir de pequenas flutuações

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Em todos os módulos bio-inspirados, ...os mecanismos são Universais ! Arquitecturas Connectionistas e Small Worlds: criação ou eliminação de sinapses. Redes Neuronais Artificiais: incrementam e decrementam o valor das suas sinapses. Sistemas Imunitários Artificiais: rejeitam e aceitam, constantemente. Algoritmos Genéticos, Estratégias de Evolução, Programação Genética: determinados cromossomas tem uma alta probabilidade em permaneçer ao longo da evolução, outros estão representados em fraco número. Sistemas Formigueiro (Ant Systems): Depositam feromoma, mas ela evapora-se.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP • Transporte cooperativo • Limpeza do Ninho • Repartição de tarefas Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Alguns comportamentos dos insectos sociais: • Procura distríbuida de alimento

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 O que é a inteligência enxame ? • Múltiplos Agentes Autónomos V.Agentes singulares • Percepção/Acção LocalV. Percepção/Acção Global • Controle DistríbuidoV. Controle Centralizado • Regras Simples V. Regras Complexas • Abordagens Bottom upV. Top Down • Comportamento Emergente V. Pré-programado

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 A experiência do obstáculo (anos 80):

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Exemplo - O problema do Caixeiro Viajante: - N cidades de coordenadas conheçidas - Encontrar a ordem pela qual o viajante deve visitar cada cidade uma e uma vez só, tal que a sua rota seja minimal - Problema NP-completo

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Modelo de Chialvo & Millonas (1994): Regra de transição entre células pelo uso de uma função ponderada de feromona: w = 1/20 w = 1/12 w = 1/12 w = 1/4 w = 1/4 w = 1/2 w = 1/2 w = 1 Vinda de Norte w = 1/2 Probabilidade de transição normalisada: w = 1/4 w = 1 w = 1/12 w = 1/2 w = 1/20 w = 1/4 w = 1/12 Vinda de Sudoeste

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Modelo de Chialvo & Millonas (1994): Influência dos parâmetros: Evolução temporal dos caminhos

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Modelo de Vitorino Ramos (1997-2000): 1a Extensão - Ao invés de uma taxa constante de feromona, um termo não constante é incluido: 2a Extensão • A taxa de deposição de feromona para uma formiga específica depende do nivel de • cinzentos e das suas variações entre 2 janelas locais: ??

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Modelo de Vitorino Ramos (1997-2000): Imagem de Teste original, sintéticamente criada Distribuição de Feromona a T=1000

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Modelo de Vitorino Ramos (1997-2000): Alguns resultados

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Modelo de Vitorino Ramos (1997-2000): Uma estranha Metamorfose - De Kafka à Formiga Vermelha

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Stigmergia: AprobabilidadePdpara um agente depositar um “item”, movendo-sealeatóriamente pelo espaçoédada por: ondek2 éuma : paraf << k2, Pdé próxima de 0, enquanto queparaf >> k2, Pd é próxima de 1.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Outras possibilidades: #1 - Percepção e Reconhecimento de Imagem; #2 - Auto-organização, Classificação e Reconhecimento de Granitos Portugueses. #3 - "Document Clustering", "Data Mining", e auto-organização de artigos de jornais, consoante o seu conteúdo e o seu significado. I.e., um atlas de conceitos e significados, para cada texto escrito, ou entre diferentes textos. Aplicação actual em Jornais espanhóis. #4 - Exploração e reconhecimento de regras complexas em Séries temporais. Do estilo, se variável A em Dezembro é alta, então a D em Março será baixa, e a G será média em Outubro. #5 - Procura e emergência de formas tridimensionais não-triviais. Exploração da forma, das suas relações no espaço, da gestão de constrangimentos de forma. Exploração de uma forma verdadeiramente comum a vários agentes susceptiveis a estimulos interiores e espaciais diferentes. Arquitectura por Emergência. #6 - Exploração de conceitos a partir de equipas humanas na WWW, de forma distribuida. Formação emergente de conceitos comunitários. Novas formas ? Um exemplo, pesando 250 Kilos, com um metro de diâmetro.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Stigmergia “Semântica”: Aleatóriamente Alojados t Agrupamento

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP (a) E=0.289 (f) E=0.625 (b) E=0.323 (g) E=0.656 (c) E=0.348 (h) E=0.672 (d) E=0.348 (i) E=0.750 (e) E=0.563 (j) E=1.000 Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Medindo a Entropia: … e testando a partir de objectos pré-definidos por 2 características:

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP t = 20,000, Etotal = 1.513 t = 1E6, Etotal = 0.906 Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Resultados (V. Ramos, 2002):

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP t = 1E6, Etotal = 0.906 Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Resultado final em pormenor:

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 E quanto à Entropia Espacial do sistema? E quanto à diversidade do sistema?

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Atlas Semânticos de Documentos: (A) anunció, bilbao, embargo, titulos, entre, hacer, necesídad, tras, vida, lider, cualquier, derechos, medida.(B) dirigentes, prensa, ciu. (C) discos, amigos, grandes. (D) hechos, piloto, miedo, tipo, cd, informes. (E) dificil, gobierno, justicia, crisis, voluntad, creó, elección, horas, frente, técnica, unas, tarde, familia, sargento, necesídad, red, obra. (F) voz, puenlo, papel, asseguró. (G) nuestro, europea, china, ahora, poder, hasta, mucho, compañía, nacionalistas, cambio, asesinado, autor, nuevo, estamos, no.

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Atlas Semânticos de Imagens: Figura –Distribuição espacial de 244 imagens (representando 14 tipos de Granitos Portugueses + 2 tiposde Granitos Chineses), at=1,000,000. Cada imagem (pointoneste “ambiente”) é compostapor 117 características de intensidade de cinznetos bem como morfológicas. A função de probabilidade “TIPO 1” foi usada comk1=0.1 ek2=0.3.

On Stigmergy, Data, Image and Building Blocks Vitorino Ramos @ SCS – Birmingham, UK, 2003 Related projects going on: A) Emergent Architecture: Search and emergence of non-trivial 3D forms. Form exploration/exploitation & his spatial relationships. Form constraints management. Exploration of a form truly common to all the virtual insect society, with or without inner and spatially different stimulus response functions. New forms ? An example weigthing 250 Kilos, 1 meter diameter.

On Stigmergy, Data, Image and Building Blocks Vitorino Ramos @ SCS – Birmingham, UK, 2003 Related projects going on: A) Emergent Architecture: Search and emergence of non-trivial 3D forms. Form exploration/exploitation & his spatial relationships. Form constraints management. Exploration of a form truly common to all the virtual insect society, with or without inner and spatially different stimulus response functions.

On Stigmergy, Data, Image and Building Blocks Vitorino Ramos @ SCS – Birmingham, UK, 2003 Related projects going on: B) MC2 – Machines of Collective Conscience. Emergent formation of Societal and Organizational concepts. Exploration and formation of concepts via human teams navigating the WWW, in a distributed form. MC2

O Projecto MC2 #1 Habitat habitat agentes Z células Células: possuem um de 256 estados possiveis, codificados em 256 niveis de cinzento. Revelam o nivel de feromona presente em cada célula. Objectos: de 26 tipos possiveis (letras do alfabeto). Dois ou mais não podem ocupar uma mm célula. Agentes: podem ocupar qq célula (mesmo as existentes com letras, mas não as presentes com outro agente) e movem-se pelo habitat (toroidal). São representados a azul. Possuem capacidades de “apanhar” e “deixar” objectos em células, bem como de se moverem em 8 direcções possiveis. Quando apanham um objecto e se movem sem o deixar em qq célula pressupôe-se que o transportam. Nenhum agente pode apanhar objectos quando transporta um deles, e de modo similar não pode deixar cair nenhum se nada transporta. Para apanhar um objecto o agente deve colocar-se na sua casa. Cada casa permite apenas a alocação de um objecto. objectos (letras)

O Projecto MC2 #4 Representação Janela do Todo / Portal da MC2 (página WWW #1): MC2 Status: Number of Agents Now = 507 Number of Agents that have visited the MC2 = 1003 Date & Time = ?? You can come in !! O Sector SE#1 é visto aqui em Zoom. 100 x 100 casas NW#4 Move Arrows to visit all the Habitat / You are Now seeing Sector SE#1

O Projecto MC2 #4 Representação Janela de cada Agente (página WWW #2): ID = 907 Movements: NW=7 N=8 NE=9 W=4 E=6 SW=1 S=2 SE=3 L=LEAVE OBJECT C=CARRY OBJECT Q=QUIT Objects in Transport = Z A U B T g H O agente 907 ocupará sempre (na visualização) a célula central da sua vizinhança. Os pequenos quadrados azuis revelam a posição de outros agentes (por exemplo o agente 907 não pode nesta altura deslocar-se para SW). Os niveis de cinzento revelam a intensidade de feromona presente em cada célula. As letras representam os objectos presentes. Uma frase final revela que tipo de objecto o agente transporta (NONE para nenhum). Se algum agente vizinho transporta uma letra ela é tb visivel (ver agente a SW do 907).

On Stigmergy, Data, Image and Building Blocks Vitorino Ramos @ SCS – Birmingham, UK, 2003 Related projects going on: D) Self-Organized Cognition: Cognitive Levels of behaviour emerge as by self-organizing different synaptic layers. Test case: Predator/Prey models to appear in, Ramos, V., 2003 ; Co-Evolving Predator-Prey Synaptic Darwinism.

NW NW W W SW SW N N DN DN S S NE NE E E SE SE Compare with previous Distance If D<=0 Then Signal=OK If D>0 Then Signal=WRONG If D>=0 Then Signal=OK If D<0 Then Signal=WRONG Compute Distance Between Predator/Prey Send signal Send signal retina MiniBrain #1 Predator MiniBrain #2 Prey retina move move Update Predator X,Y Position Update Prey X,Y Position to appear in, Ramos, V.; Co-Evolving Predator-Prey Synaptic Darwinism, 2003

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Equipas Humanas. Objectivo da Empresa Gestor / Estratega Equipas Auto-Organizadas” Equipas Auto-Organizadas” Digere o objectivo e estuda os níveis de comunicação mínimos a existir entre as partes Equipas Auto-Organizadas” Equipas Auto-Organizadas” Unidades Autónomas

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP Muitas vezes em conflito com a hierarquia ou constragidas pela hierarquia. Tomam lugar à hierarquia Parte da Estrutura Formal da Organização Formais, temporais ou permanentes Informais e temporais Não fazem parte dela Formam-se espontâneamente em torno de necessidades Controladas indirectamente pelo gestor sénior Fronteiras do problema (constrangimentos) influenciados pelo gestor sénior Gestores decidem “quem” e o “quê” Membros da equipa decidem “quem” e o “quê” Não se formam espontâneamente Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Equipas Humanas. Duas Visões : A) Equipas em Auto-Gestão Equipas Auto-Organizadas” presente ? futuro ?

Formigas & OrganizaçõesV.Ramos, IST + UCP É meramente um processo espontâneo e colectivo Tomada de decisão é resultado de processos planeados Empregues pelo gestor sénior Empregues pela equipa Forte cultura partilhada mas imposta Algum sentido em propósitos partilhados Forte sentido em propósitos partilhados Forte cultura partilhada no ambiente Ordem inerente (implícita) ou emergente Comportamentos influenciados por procedimentos ou papéis Comportamentos creativos espontâneos Forte sentido de equipa Forte sentido de entrega pessoal Alguma energia e entusiasmo Altos níveis de energia e entusiasmo Ordem criada por processos standard Escola Superior de Ciências Empresariais - IPS, Setúbal, 8 Abril 2003 Equipas Humanas. Duas Visões : B) Equipas em Auto-Gestão Equipas Auto-Organizadas” presente ? futuro ?

Formigas & Organizações Do Natural ao Artificial Vitorino Ramos [IST + UCP]