Veículos de Braitenberg

Vida Artificial
Aula sobre veículos de
Braitenberg e as
tartarugas de Walter
Resumo
• Veículos de Braitenberg
• Os conceitos por detrás dos veículos
• Introduzir vários veículos
Veículos de Braitenberg
• Valentino Braitenberg
• Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology (1984)
• Neuro-psicólogo (cibernético) interessado em como estruturas
neuronais primitivas podem dar origem a comportamento
complexo.
• Desenvolveu um modelo simples de robôs com sensores e
motores para demonstrar como é que comportamento complexo
pode ser gerado a partir de mecanismos simples.
• Ideia
• Sintetizar comportamento complexo a partir de modelos simples.
Extracto do prefácio do livro:
Vehicles: experiences in synthetic
Psychology
• “Só iremos falar de máquinas com
estruturas internas muito simples, de
facto demasiado simples para serem
interessantes do ponto de vista da
engenharia mecânica ou electrónica. O
interesse aparece, ao invés, quando
olhamos para essas máquinas como se
fossem animais num ambiente natural.”
Extracto do prefácio do livro:
Vehicles: experiences in synthetic
Psychology (cont.)
• “Somos tentados, então, a utilizar uma
linguagem psicológica para os descrever.
E nós sabemos muito bem que não existe
nada nestes veículos que nós não
tenhamos colocado. Será um jogo
educativo interessante.”
A abordagem sintética
• Construir modelos e pô-los num
determinado meio-ambiente e observar o
comportamento.
Exercício de Braitenberg
• O livro descreve um conjunto de experiências
envolvendo veículos robóticos simples.
• Braintenberg pede ao utilizador para imaginar
como esses veículos se comportarão quando
colocados em ambientes diferentes e sublinha
que mesmo os veículos muito simples muitas
vezes se comportarão de maneira complexas e
surpreendentes.
Exercício de Braitenberg (cont.)
• Braintenberg convida-nos a antropomorfizar
quanto às suas invenções, atribuindo-lhes, por
exemplo, emoções tais como “amor”, “medo”,
ou “agressão”.
• Claro que ele sabe (nós sabemos) que os
sistemas de controle são demasiado simples
para possuir sentimentos do tipo humano, mas o
seu objectivo é desafiar-nos acerca de
comportamentos e de estados internos de
sistemas nervosos de múltiplas maneiras.
Exercício de Braitenberg (cont.)
• Ele deseja que nós nos apercebamos que,
em geral sobrestimamos a complexidade
do mecanismo dado o seu comportamento
observado.
• E ele quer que nós reconheçamos a
importância do meio-ambiente quanto à
forma dos padrões comportamentais.
Características dos veículos de
Braintemberg
• Os sensores estão directamente ligados
aos motores.
• Utilizam influências de excitação e de
inibição.
• Não são reprogramáveis, não aprendem.
Veículo 1
O veículo 1 está equipado apenas com um sensor e um motor.
A conexão é muito simples: quanto
mais existir da qualidade associada
ao sensor mais rápido será o motor.
Se a qualidade for a temperatura
então acelera nas regiões frias e
desacelera nas zonas quentes.
Sensor
Fio
Roda e motor
Veículo 1
Ao acelerar na direcção da fonte do estímulo, vai “carregar” sobre ele
e ultrapassá-lo. Passa mais tempo nas zonas frias do que nas zonas quentes.
Veículo 1: fricção
A fricção pode não ser bem simétrica e será desviado do seu curso. A longo
prazo parecerá que se está a mover numa trajectória complicada virando
para um lado e para o outro sem razão aparente.
Veículo 1: fricção
O que pensaremos nós se virmos um tal veículo a nadar num lago. Não descansa
nunca e não gosta de água quente. Mas é bastante estúpido já que não é capaz de
se virar para explorar o lugar agradável (frio) que abandonou.
No entanto, está VIVO, já que nunca vimos uma partícula de matéria a mover-se
desta maneira.
Veículo 1: inibição
O veículo 1 está equipado apenas com um sensor e um motor.
Inverte-se a conexão e
então acelera nas regiões frias e
desacelera nas zonas quentes.
Veículo 2
Quanto mais são excitados os sensores mais rápidos serão os motores
Sensores
Fonte sensorial
Fios
Rodas e motores
Três tipos de Veículos 2
Ignoremos o caso c: corresponde a uma versão mais luxuriosa do veículo 1.
Veículo 2
Sensores (sensores de luz) ligados directamente aos motores do
mesmo lado
O que acontece quando a luz é emitida
de um dos lados?
E directamente em frente?
Veículo 2: Cobarde
Carrega sobre a fonte se estiver em
frente dela.
Manobra para longe da fonte
Descansa na escuridão
Variação no Veículo 2
Os sensores estão ligados directamente aos motores do lado oposto
O que acontece quando a luz é
emitida de um dos lados?
E directamente em frente?
Variação no Veículo 2:
Agressivo
Sensores ligados directamente aos motores do lado oposto
Carrega sobre a fonte se estiver em
frente dela.
Mantém-se na escuridão
Vira na direcção da fonte
e carrega sobre ela
Resumo do Veículo 2:
Ambos não gostam das fontes de estímulo.
Veículo 3
-
-
-
-
Sensores ligados através de um inversor aos motores do mesmo lado.
Ambos abrandarão perante a presença de um estímulo forte e
“speedarão” na ausência de estímulo. Dispendem mais tempo na
vizinhança da fonte e menos tempo longe dela. Se calhar pararão
perto da fonte do estímulo.
a
b
Veículo 3
Sensores ligados através de um inversor aos motores do mesmo lado
O que acontece quando a luz é
emitida de um dos lados?
-
-
-
-
Directamente em frente?
Veículo 3: Amor
Sensores ligados através de um inversor aos motores do mesmo lado
-
Move-se em frente e
imobiliza-se
-
Vira-se na direcção da
luz e imobiliza-se
-
Move-se na escuridão
Veículo 3: motores cruzados
Os sensores estão ligados através de inversores aos motores opostos
O que acontece quando a luz é
emitida de um dos lados?
-
-
-
-
E directamente em frente?
Veículo 3: Explorador
Os sensores estão ligados aos motores opostos através de inversores
-
-
Pára perto do alvo
Afasta-se da fonte de luz
-
Move-se na escuridão
Resumo do Veículo 3
Ambos gostam da fonte de estímulo mas de maneiras diferentes.
Um gosta dela de um modo permanente, parando a admirá-la e o
segundo gosta da fonte mas mantém os olhos abertos para outros
estímulos não explorados, talvez mais fortes
Super-Veículo 3
Um veículo multi-sensorial com 4 pares de sensores, sintonizados
com diferentes qualidades do meio-ambiente: luz, temperatura,
concentração de oxigénio e quantidade de matéria orgânica. Ligamos
os vários pares de sensores aos motores através de ligações de
inibição e de excitação.
3c
Super-veículo trois animado
T:Temperatura
O:Oxygen
C:Comida
L
TL
OL
L:Luz
FL
LL
LR
FR
OR
R
TR
L:Luz
F:Comida
O:Oxygen
T:Temperatura
Super-Análise
Estamos perante um veículo realmente interessante. Não gosta de
temperaturas elevadas, afasta-se de lugares quentes, e ao mesmo
tempo parece não apreciar lâmpadas com maior paixão ainda já que se
vira na sua direcção e carrega sobre elas destruindo-as. Por outro
lado, parece definitivamente que gosta de lugares bem oxigenados
que contêm muitas moléculas orgâncias já que passa muito tempo
nesses lugares. Tem o hábito de procurar outros lugares quando a
matéria orgânica é reduzida e em especial no caso do baixo teor de
oxigénio.
O Veículo 3c possui um sistema de VALORES e de SENSATEZ já
que destruir lâmpadas tendem a aquecer o meio-ambiente e torná-lo
pouco confortável.
Calma estamos só a brincar
com motores e sensores.
Isso é absolutamente ridículo!
Existem apenas motores e sensores e ligações directas ou cruzadas do
tipo inibição e do tipo excitação.
Temos de ter cuidado com o uso de tais palavras: sensatez e sistema
de valores.
A variedade ainda aumentará se tivermos diferentes tipos de
influência dos sensores para os motores: fortes e fracas. Pode
preocupar-se pouco com a temperatura e muito com a luz.
Veículo 4: Valores e Gostos
Particulares
Até aqui tínhamos dois tipos de conexões dos sensores para os
motores:
Quanto mais excitado o sensor mais rápido o motor
Quanto mais excitado o sensor mais lento o motor
Estamos perante conexões incondicionais.
Vamos então melhorar.
Veículo 4: Conexões não monótonas
Vamos então melhorar.
A activação de um sensor fará acelerar o motor correspondente mas só até um certo
ponto (o ponto máximo) a partir do qual caso o sensor esteja ainda mais activo, a
velocidade diminuirá. O mesmo poderá acontecer para conexões inibitórias.
Até poderemos fazer mais do que um máximo. Podemos também combinar
conexões do tipo monótono com conexões do tipo não monótono.
Veículo 4: Trajectórias redondas
Um veículo poderá navegar de encontro a uma
fonte e depois virar e afastar-se quando o
estímulo estiver forte, contornar a fonte de luz
e depois descrever um 8.
Ou poderá orbitar à volta da fonte de estímulo
a uma distância constante como um satélite.
Ou perder-se entre “dois amores”
Veículo 4: Instintos
Depois de colocar os veículos perante um
ambiente rico em estímulos, ficaremos
deleitados com as suas trajectórias
complicadas.
Braitenberg está confiante que os motivos
destes veículos são demasiado complicados e
intrincados para serem compreendidos pelo
observador.
Eles serão governados por INSTINTOS.
Veículo 4: Funções de passo (limiar)
Vamos adicionar um novo tipo de conexão
entre os sensores e os motores.
A influência dos sensores nos motores vai
deixar de ser suave, teremos quebras ou saltos
abrutos.
Poderão existir gamas de valores dos
estímulos, cujos valores dos sensores não são
suficientes para excitar os motores e depois, a
partir de um certo ponto passam a rolar em
velocidade máxima.
Padrão do mundo vivo: até um certo ponto
nada e a partir de um limiar temos a activação.
Veículo 4: Decisões ponderadas
Os limiares sob os comportamentos farão
grande diferença na análise de um observador.
O observador “would say” que os veículos
ponderam as suas DECISÕES.
Onde as decisões estão a ser tomadas existe
uma VONTADE de as tomar.
A lei da análise “uphill” e da
invenção “downhill”
É agradável e fácil criar pequenas máquinas que vazem certos truques. É
também relativamente fácil observar o reportório completo de tais máquinasmesmo que vá para lá do que foi inicialmente planeado, o que acontece com
frequência.
É muito mais difícil começar de fora e tentar adivinhar qual a estrutura interna
apenas através da observação do comportamento. É impossível em teoria
determinar exactamente qual o mecanismo escondido sem abrir a caixa.
Existem muitos mecanismos com comportamentos idênticos.
A análise é muito mais difícil do que a invenção.
Quando analizamos um mecanismo temos a tendência
se sobrestimar a sua complexidade
Veículo 6: Selecção, engenheiro
impessoal
Entre os diversos veículos criados até agora, pegamos nos espécimes mais
complicados e colocamo-los numa mesa.
Estamos perante um conjunto de componentes e enquanto os veículos se
divertem sobre a mesa nós vamos copiando alguns deles e colocando-os na
mesa.
Alguns deles caiem e dificielmente serão copiados.
As cópias terão erros porque tendemos a quer apressarmo-nos de modo a que
os veículos não caiem antes de serem copiados.
Os bons designs sobreviverão e os maus não
Problema do quadro de referência”
• À tendência para colocarmos a razão da complexidade do
comportamento de um organismo no próprio organismo e não no
ambiente ou na interacção entre organismo e ambiente, Pfeifer e
Scheler chamaram de problema do Quadro de Referência.
• O comportamento de um organismo resulta da interacção sistema
- meio-ambiente.
• A abordagem sintética mostra que simples organismos colocados
em ambientes determinados são capazes de gerar
comportamentos complexos..
Grey Walter (1910-1977)
Grey Walter a soldar Elsie
Elsie e Elmer: (aqui só Elsie)
Dois sensores: um de luz e outro de toque.
O primeiro (célula fotoeléctrica) apontava
para onde apontava a roda da frente.
O segundo era um contacto eléctrico que
ficava activo sempre que a concha tocava em
alguma coisa
Dois motores: um para fazer andar as rodas
de trás e outro para rodar a roda da frente do
triciclo robótico.
Uma cópia de Elsie: Machina Especulatrix
Características das tartarugas
• Parsimónia – reflexos simples como base para o
•
•
•
•
comportamento
Atracção (tropismo positivo) – move-se em
direcção à luz moderada
Aversão (tropismo negativo) evita os obstáculos.
Exploração ou especulação: nunca está quieta a
não ser quando estiver a ser recarregada
Discernimento: É capaz de distinguir entre
comportamento produtivo e improdutivo
Comportamentos da tartaruga
electrónica
• Procura a luz: O
•
•
sensor rodava até
detectar uma fraco
estímulo de luz
Orientar-se na
direcção de fontes
fracas de luz
Afastar-se de fontes
fortes de luz
• Rodar e recuar (para
•
•
evitar obstáculos)
Recarregar a bateria –
quando a carga é baixa,
a luz forte torna-se
atractiva, é
percepcionada como
fraca.
A tartaruga terminava
com a acção de recarga
– quando a luz se
tornava forte de novo.
Arbitragem de comportamentos
• Os comportamentos têm prioridades do
mais baixo para o mais alto na ordem:
• Procurar a luz
• Mover-se para/afastar-se da luz
• Evitar obstáculos
Comportamento da tartaruga
• Complexidade moderada
• Mover-se explorando o espaço e evitando
os obstáculos, recarregando-se sempre
que fosse necessário.
Elsie perante luz e obstáculo
Elsie visita duas fontes de luz:
escolha da segunda fonte
Elsie e a zona de recarga
Elsie a sair da zona de recarga
A dança do espelho:
Um Narciso Irrequieto
O Análogo Robótico à Parábola
da Formiga de Simon
• As trajectorias são complicadas
• Essa complexidade não se reflecte na
complexidade interna da tartaruga
• Depende da complexidade da interacção
[Jason’s postscript: You’re making something that follows simple rules, interacting with its environment to give the illusion of life.]
O Análogo Robótico à Parábola
da Formiga de Simon
Perante a trajectória de uma
formiga
O Análogo Robótico à Parábola
da Formiga de Simon (cont.)
Simon afirma que depende mais da
interacção com o meio-ambiente do que dos seus mecanismos internos.
Conclusão
Podemos gerar um comportamento complexo com
base na interacção dos vários componentes simples
e da interacção desses componentes com o
meio exterior.