2004: computação natural (cybertecnica)
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Computação Natural e Aplicações Computação Natural e Aplicações
Leandro Nunes de Castro
Programa de Mestrado em Informática
Universidade Católica de Santos
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 2
Imagine um mundo onde os computadores podem criar novos universos, e dentro destes universos existam formas naturais que reproduzem, crescem e pensam. Imagine formas vegetais, montanhas, colônias de formigas, sistemas imunológicos e cérebros, todos aprendendo e evoluindo, e se tornando mais adaptados ao ambiente. Imagine se nossos computadores passassem a conter novas formas de vida. Pense no que isso afetaria nossas vidas. Talvez pudéssemos criar automaticamente projetos de casas e música, novas formas de proteger computadores contra invasores, novas formas de resolver problemas complexos, novos organismos e novas formas de computar.
Agora pare de imaginar. Seja bem vindo à Computação Natural.
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TópicosTópicos
• Parte I: Motivação– Algumas idéias e desafios
• Parte II: Computação Natural– Computação inspirada na natureza– Vida artificial e geometria fractal da natureza– Computação com mecanismos biológicos
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PARTE IPARTE I
IntroduçãoIntrodução
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Perguntas Perguntas ddifíceisifíceis((Logística)Logística)
• Quantas são as possíveis rotas?
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Perguntas Perguntas ddifíceisifíceis((Simulação de Fenômenos Biológicos)Simulação de Fenômenos Biológicos)
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• Lei de Moore:– O poder de processamento computacional
baseado em tecnologia de silício dobra aproximadamente a cada dois anos
– No final desta década atingiremos os limites físicos dos chips computacionais!
Perguntas Perguntas ddifíceisifíceis((Novas TecnologiasNovas Tecnologias))
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O O qque estas ue estas pperguntas erguntas ttêm em êm em ccomum?omum?• Todas elas envolvem uma quebra de
paradigma
Onde podemos procurar respostas?Onde podemos procurar respostas?
• Aonde estes problemas/dificuldades já vêm sendo resolvidos/tratados há muito tempo?...NA NATUREZANA NATUREZA!
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PARTE IIPARTE II
Computação NaturalComputação Natural
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Da natureza à computação:Da natureza à computação:Computação NaturalComputação Natural
• A computação natural caracteriza-se por uma maior proximidade com a natureza
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PARTE II-APARTE II-A
Computação Inspirada na Computação Inspirada na NaturezaNatureza
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Computação inspirada na natureza (1)Computação inspirada na natureza (1)• Redes neurais artificiais• Computação evolutiva• Sistemas imunológicos artificiais• Sistemas baseados em comportamentos
coletivos• Modelos de crescimento e desenvolvimento• Algoritmos culturais• Simulated Annealing• etc.
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Computação inspirada na natureza (2)Computação inspirada na natureza (2)
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Computação inspirada na natureza (3)Computação inspirada na natureza (3)
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Computação inspirada na natureza (4)Computação inspirada na natureza (4)
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Computação inspirada na natureza (5)Computação inspirada na natureza (5)
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Computação inspirada na natureza (6)Computação inspirada na natureza (6)
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Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações
• Computação Evolutiva/Redes Neurais: Reconhecimento de Padrões
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Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações
• Redes Neurais
Neural Network DESIGN Perceptron Classification
Click [Go] to send afruit dow n the beltto be classif ied by aperceptron netw ork.
The calculations forthe perceptron w illappear to the left.
Chapter 3
Fruit
SHAPE: ? TEXTURE: ? WEIGHT: ?
Neural
Network
Oranges
Apples
W = [0 1 0]
b = 0
p = [?; ?; ?]
a = hardlims(W*p+b)
a = hardlims(?)
a = ?
Fruit = ?-1
1
-1
1
-1
1
shape
Input Space
texture
wei
gh
t
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Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações
• Computação Evolutiva/Sistemas Imunológicos: Otimização de Sistemas e Processos
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• Sistemas Imunológicos: Detecção de Falhas e Anomalias
Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações
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• Sistemas Imunológicos: Navegação Autônoma
Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações
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• Controle de robôs autônomos
Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações
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• Porquê computação inspirada na natureza?– Porque muitos problemas não podem ser
resolvidos utilizando as técnicas tradicionais (p.ex. programação dinâmica, linear, inteira, etc.)
– Conhecimento e operação distribuída– Sistemas probabilísticos– Capacidade de adaptação– Robustez
Computação inspirada na naturezaComputação inspirada na natureza
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PARTE II-BPARTE II-B
Vida ArtificialVida Artificial
&&
Geometria Fractal da NaturezaGeometria Fractal da Natureza
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• Vida artificial:– “Vida artificial é o estudo de sistemas feitos pelo
homem que exibem comportamentos característicos de sistemas naturais. Ela complementa as ciências biológicas preocupadas com a análise de organismos vivos tentando sintetizar em computador ou outro meio comportamentos similares aos de organismos vivos. A vida artificial contribui para a biologia localizando a vida-como-nós-a-conhecemos dentro de um contexto mais amplo da vida-como-ela-poderia-ser.” (Chris Langton)
Vida artificial (1)Vida artificial (1)
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Vida artificial (2)Vida artificial (2)
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• Boids
Vida artificial (3)Vida artificial (3)
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• AIBO ERS 210
Vida artificial (4)Vida artificial (4)
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Vida artificial (5)Vida artificial (5)
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 31
• Construção de colméias
Vida artificial (6)Vida artificial (6)
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• Criaturas (Creatures)
Vida artificial (7)Vida artificial (7)
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• Peixes artificiais
Vida artificial (8)Vida artificial (8)
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• Engarrafamento de trânsito
Vida artificial (9)Vida artificial (9)
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 35
• A vida como ela poderia ser
Vida artificial (10)Vida artificial (10)
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 36
• Porquê Vida Artificial?– Aumenta nossa compreensão da natureza– Aumenta nossas perspectivas sobre novas
formas de ‘vida’ e os diversos modelos da natureza
– Desenvolvimento de novas tecnologias: softwares, robôs, jogos interativos, computação gráfica, sistemas educacionais
– Etc.
Vida artificial (13)Vida artificial (13)
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Geometria fractal da natureza (1)Geometria fractal da natureza (1)
• Autômatos celulares
• Sistemas de funções iterativas
• Sistemas de Lindenmeyer
• Movimento Browniano
• Computação evolutiva
• etc.
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• Autômatos celulares
Geometria fractal da natureza (2)Geometria fractal da natureza (2)
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Geometria fractal da natureza (3)Geometria fractal da natureza (3)
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• Sistemas de funções iterativas
Geometria fractal da natureza (4)Geometria fractal da natureza (4)
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• Sistemas de Lindenmeyer
Geometria fractal da natureza (5)Geometria fractal da natureza (5)
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 42
• Movimento Browniano
Geometria fractal da natureza (6)Geometria fractal da natureza (6)
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• Computação evolutiva
Geometria fractal da natureza (7)Geometria fractal da natureza (7)
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 44
• Porquê geometria computacional?– Uma forma “barata” computacionalmente de
gerar modelos da natureza– Estudos de sistemas biológicos: vegetações
extintas, projeto de novas variedades de plantas, estudo do processo de crescimento e desenvolvimento de plantas, auxílio para fazendeiros e paisagistas, predição de colheita, etc.
Geometria fractal da natureza (8)Geometria fractal da natureza (8)
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PARTE II-CPARTE II-C
Computação com Mecanismos NaturaisComputação com Mecanismos Naturais
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 46
Computação com mecanismos naturaisComputação com mecanismos naturais
• Computação molecular– Computação de DNA– Computação de RNA– Computação de membrana
• Computação quântica
• Neurocomputação
• etc.
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 47
Computação com mecanismos naturaisComputação com mecanismos naturais
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 48
• Um único exemplo: – Computação de DNA
Computação com mecanismos naturaisComputação com mecanismos naturais
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 49
A Computação no Novo Milênio (A Computação no Novo Milênio (11))• Algumas das idéias que fundamentam a
computação natural:– Capacidade de tratar problemas não-lineares– Sistemas multi-agentes (A união faz a força!)– Capacidade de manipular informações
imprecisas de forma imprecisa– Robustez– Distributividade– Auto correção– etc.
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Oficina de Integração Cybertecnica (Leandro N. de Castro) 50
• Da singularidade à pluralidade
A Computação no Novo Milênio (A Computação no Novo Milênio (22))
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• A importância da natureza aumentou!
A Computação no Novo Milênio (A Computação no Novo Milênio (33))
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Até onde podemos ir?
Perguntas?