Alguns fatos sobre insetos sociais Mais sobre formigas... Enxame

09/11/2015
Alguns fatos sobre insetos sociais
Computação Natural:
Inteligência de Enxame
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≈ 1018 insetos vivos no globo terrestre
A grande maioria dos insetos é eusocial
(verdadeiramente social!)
Sobreposição de gerações em um mesmo ninho de forma que os filhos
possam ajudar seus pais
Divisão de tarefas reprodutivas em que um grupo de indivíduos é infértil e
colabora com a criação dos filhos dos indivíduos férteis da colônia, além de
desempenharem outras funções de manutenção da colônia
Cuidado cooperativo com a prole
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Prof. Dr. Rafael Stubs Parpinelli
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E-mail: [email protected]
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50% dos insetos sociais são formigas. São os insetos sociais mais amplamente
estudados!
No globo
Peso total das formigas ≈ Peso total de humanos (uma formiga ≈ 1 ÷ 5 mg)
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Evolução
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Programa de Pós-Graduação
em Computação Aplicada - UDESC
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Formigas: cerca de 100 milhões de anos
Homo sapiens sapiens: cerca de 50.000 anos
Tamanho da colônia de formigas pode variar de poucas até milhões de
indivíduos
As formigas são seres praticamente cegos
Mais sobre formigas...
O que é um enxame?
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As formigas podem levantar até 20 vezes seu próprio peso
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Uma formiga vive de 45 a 60 dias
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Tempo de vida da formiga rainha pode superar 20 anos
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Coleção estruturada de agentes que interagem entre si
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Portanto, uma colônia de 40.000 formigas possui o mesmo
número de neurônios que um cérebro humano
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O cérebro de uma formiga possui aproximadamente 2,5×105
neurônios, enquanto o cérebro humano possui aproximadamente
1,0×1010 neurônios
As formigas possuem dois estômagos. O primeiro armazena
alimento para a própria formiga e o segundo armazena alimento a ser
compartilhado
Enxame de abelhas ← Emprego do coletivo de forma correta! Demais
casos são metáforas que estendem a definição para outros sistemas!
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Colônia de formigas como “enxame” de formigas
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Arrevoada de pássaros como “enxame” de pássaros
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Colônia de bactérias como “enxame” de bactérias
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Tráfego de carros como “enxame” de carros
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Multidão como “enxame” de pessoas
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Sistema imunológico como “enxame” de células e moléculas
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Economia como “enxame” de agentes econômicos
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...
Existem mais de 20.000 espécies conhecidas de formigas, sendo
aprox. 2.000 espécies no Brasil.
Enxame
Benefícios de um Enxame
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Proteção contra predadores;
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Encontrar alimento;
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Encontrar parceiros para acasalamento;
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Divisão de trabalho (carregar comida, construir o ninho, limpeza, ...);
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Proteção contra intemperismos;
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Soar alarmes;
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Encontrar um local apropriado para construir o ninho;
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Melhorar a eficiência aero(hidro)-dinâmica; …
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Um enxame é mais efetivo do que os indivíduos
atuando de forma isolada!
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O que estes comportamentos
possuem em comum?
Inteligência de Enxame
Cada agente interage localmente entre si e com o ambiente
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• Essa interação causa um padrão coerente de forma global resolvendo um
problema
• O sistema é descentralizado não possuindo um controlador central
(heterarquia)
Emergência de comportamento complexo via agentes
simples.
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• Coordenação sem comunicação evidente
O comportamento do sistema completo transcende o repertório
comportamental de um único indivíduo
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A resposta do sistema é extremamente robusta e adaptativa com respeito a
mudanças no ambiente (resiliência).
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Inteligência de Enxame
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A inteligência coletiva é uma propriedade de sistemas compostos por agentes não
(ou pouco) inteligentes e com capacidade individual limitada, capazes de apresentar
comportamentos coletivos inteligentes
Algumas propriedades da inteligência coletiva
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Proximidade: os agentes devem ser capazes de interagir;
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Qualidade: os agentes devem ser capazes de avaliar seus comportamentos;
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Diversidade: permite ao sistema reagir a situações inesperadas;
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Comportamento emergente é o processo onde uma
estrutura ou padrão emerge em um sistema sem nenhuma
autoridade central ou elemento externo que impõe algum
planejamento
Este padrão global coerente emerge de interações locais
dos elementos que constituem o sistema
A inteligência de enxame inclui qualquer tentativa de
projetar algoritmos ou dispositivos distribuídos de solução
de problemas inspirados no comportamento coletivo de
insetos sociais e outras sociedades animais
A questão central é...
Como insetos sociais e outros animais
coordenam suas ações de maneira a obter
comportamentos coletivos complexos e
incríveis?
Estabilidade: nem todas as variações ambientais devem afetar o comportamento
de um agente;
Adaptabilidade: capacidade de se adequar a variações ambientais.
A inteligência de enxame é uma propriedade emergente de um sistema coletivo que
resulta de seus princípios de proximidade, qualidade, diversidade, estabilidade e
adaptabilidade.
A questão central é...
Auto-organização
Como insetos sociais e outros animais
coordenam suas ações de maneira a obter
comportamentos coletivos complexos e
incríveis?
Estruturas resultantes de interações entre
indivíduos se desenvolvem por um processo de
auto-organização.
Bonabeau, E., Theraulaz, G., Deneubourg, J.-L., Aron, S., Camazine, S.,
Self-organization in social insects. Trends in Ecology and Evolution, 12,
188–193, 1997.
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Auto-organização
Ingredientes Básicos
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Múltiplas interações
Aleatoriedade
Feedback positivo (e.g., recrutamento, reforço)
Feedback negativo (e.g., número limitado de batedores, evaporação de substância
química)
Comunicação é fundamental!
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Ponto-a-ponto
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Tipo Broadcast
Características
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Criação de estruturas espaço-temporais
Existência de bifurcações quando alguns parâmetros mudam (e.g., cupins mudam de
comportamento (de não coordenados para coordenados) somente se a densidade deles
for maior que determinado threshold)
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Multi-estabilidade: capacidade de um sistema dinâmico apresentar dois ou mais
estados estacionários, ou seja, atratores diferentes para um
mesmo conjunto dado de parâmetros de controle
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As condições iniciais (CI) determinam o atrator
final dominante, ou seja, a dinâmica de longo
tempo do sistema
Antenação, trofalaxia (troca de comida ou líquido), contato mandibular,
contato visual, contato químico, radiodifusão ponto-a-ponto (unicast)
O sinal se propaga pelo ambiente até certo ponto e/ou está disponível por
um período de tempo
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Uso da linha lateral nos peixes para detectar ondas na água, detecção
visual genérica, radiodifusão multi-ponto (broadcast)
Indireta
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Dois indivíduos interagem indiretamente quando um deles modifica o
ambiente e o outro responde ao ambiente modificado em um outro
instante de tempo. Isto é chamado de estigmergia.
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Seguir/depositar feromônio, modificações tectônicas
ACO e PSO
Ant Algorithms e Particle Swarm
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Estigmergia levou ao desenvolvimento dos Ant Algorithms, em especial o Ant
Colony Optimization (ACO)
ACO
PSO
Busca por alimentos
Busca por alimentos / evitar predadores
Comunicação do tipo broadcast está relacionada com comportamentos de
cardumes e inspirou o desenvolvimento do Particle Swarm Optimziation (PSO). Por
sua vez, broadcast de vizinhança é a base dos Autômatos Celulares, um dos
primeiros exemplos que possibilita o uso do conceito de enxame.
O uso das três formas de comunicação engloba sistemas genéricos que mostram
comportamentos coletivos organizados (sistemas imunológicos, algoritmos culturais,
sistema neural, organizações humanas, … )
ACO e PSO são os frameworks mais populares baseados nos conceitos de SI
ACO e PSO possuem maneiras específicas para realizar a comunicação no
ambiente: distribuição e uso da informação no ambiente.
Em ambos, os agentes são extremamente simples.
http://www.aco-metaheuristic.org
http://www.swarmintelligence.org/
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