Vita Artificiale
Domenico Parisi
Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Che cos’è la Vita Artificiale?
La Vita Artificiale è due cose:
(1) cercare di capire i fenomeni del mondo vivente
attraverso la loro riproduzione in sistemi artificiali, cioè
in simulazioni o in sistemi fisici come i robot
(2) guardare in modo unificato a tutti i fenomeni del
mondo vivente, considerando come fenomeni del
mondo vivente non solo quelli studiati dalle scienze
biologiche ma anche quelli studiati dalle scienze
cognitive e dalle scienze sociali
(1) cercare di capire i fenomeni del mondo vivente
attraverso la loro riproduzione in sistemi artificiali, cioè in
simulazioni o in sistemi fisici come i robot
Questo è nuovo modo di esprimere le teorie nella
scienza
Tradizionalmente le teorie scientifiche sono espresse o
usando le parole del comune linguaggio, con qualche
ridefinizione, oppure usando i simboli della matematica
Costruire un artefatto che riproduce i fenomeni della realtà è
un terzo modo di formulare le teorie scientifiche
L’artefatto è la teoria
Se l’artefatto si comporta come si comporta la realtà, allora
si può ritenere che i principi seguiti nel costruire l’artefatto
siano gli stessi principi che governano la realtà
Le teorie formulate a parole sono spesso imprecise,
ambigue, e non generano predizioni empiriche o le generano
in modo sempre controverso
Le teorie formulate in modo matematico (equazioni) possono
essere applicate solo a un ristretto sottoinsieme di fenomeni
della realtà (oggi neppure a tutti i fenomeni studiati dalla
fisica)
Le teorie-artefatti:
- sono necessariamente precise e non ambigue, perché
altrimenti l’artefatto non potrebbe essere costruito
- generano un grande numero di predizioni empiriche in
modo non controverso in quanto i comportamenti
dell’artefatto sono le predizioni empiriche derivate dalla
teoria usata per costruirlo
- sono applicabili a qualunque fenomeno
(2) guardare in modo unificato a tutti i fenomeni del mondo
vivente, considerando come fenomeni del mondo vivente
non solo quelli studiati dalle scienze biologiche ma anche
quelli studiati dalle scienze cognitive e dalle scienze sociali
Questo è cruciale perché:
- mentre la scienza è divisa in discipline, la realtà non lo è
- la realtà è una continua comparsa di nuove classi di
fenomeni, e i fenomeni più recenti possono essere capiti
solo studiando come si sono generati a partire da quelli già
esistenti
Dal Big Bang a oggi: fenomeni fisici, fenomeni chimici
semplici, fenomeni chimici complessi, origine della vita,
organismi unicellulari, organismi multicellulari, organismi con
sistema nervoso, esseri umani, società umane complesse
La visione unificata di tutti i fenomeni del mondo vivente,
dalle molecole alle cellule, dagli organismi alle società di
organismi, è resa possibile dal fatto di usare metodi e
modelli ugualmente applicabili a tutti questi livelli:
- sistemi complessi
- sistemi evolutivi
- sistemi a rete
- Sistemi complessi
Insiemi di entità che interagendo tra loro localmente
determinano proprietà globali che non possono essere
previste o dedotte anche se si possiede una conoscenza
completa delle entità e delle regole che governano le
loro interazioni
- Sistemi evolutivi
Insiemi di varianti che si riproducono selettivamente e con
l’aggiunta costante di nuove varianti
- Sistemi a rete
Insiemi di entità connesse tra loro che si influenzano
attraverso la topologia delle loro connessioni
Studiare il comportamento degli organismi
Psicologia
Basi biologiche (Biologia)
Società di organismi (Scienze sociali)
Per capire la mente bisogna andare sotto e sopra la mente
Parisi, D. Una nuova mente. Torino, Codice Edizioni, 2006
Che cosa vuol dire studiare le basi biologiche del
comportamento degli organismi?
Vuol dire costruire sistemi artificiali che:
- hanno un corpo (dimensioni, forma, apparato sensoriale e
motorio, organi interni)
- vivono in un ambiente fisico
- hanno un sistema nervoso che interagendo con l’ambiente
esterno e con il resto del corpo, determina il loro
comportamento
- hanno un DNA ereditato che codifica le caratteristiche
fondamentali del loro corpo e del loro sistema nervoso, e si
riproducono selettivamente e con l’aggiunta costante di
nuova variabilità
Il comportamento viene spiegato direttamente in termini
dei processi fisici che avvengono nel sistema nervoso e
nelle interazioni tra il sistema nervoso, il resto del corpo e
l’ambiente esterno
Viene abbandonato il tradizionale vocabolario concettuale
della psicologia derivato dalla filosofia e dal linguaggio
con il quale nella vita di tutti i giorni le persone spiegano il
proprio comportamento e quello degli altri
Viene abbandonato il più recente vocabolario concettuale
ispirato al modo di funzionare dei computer
(manipolazione di simboli)
STIMOLI
RISPOSTE
STIMOLI
RISPOSTE
STIMOLI
RISPOSTE
STIMOLI
RISPOSTE
OUTPUT
INPUT
RESTO
DEL
CORPO
RESTO
DEL
CORPO
GENOTIPO
RESTO
DEL
CORPO
GENOTIPO
AMBIENTE
RESTO
DEL
CORPO
GENOTIPO
RESTO
DEL
CORPO
GENOTIPO
AMBIENTE SOCIALE
1. Afferrare con la mano oggetti grandi e oggetti piccoli,
che stanno sulla destra o sulla sinistra
(Anna Maria Borghi, Giorgio Tsiotas, Domenico Parisi)
Un organismo in possesso di un braccio a due segmenti
(braccio e avambraccio) che termina con una mano
dotata di due dita opponibili, deve afferrare due tipi di
oggetti (grandi o piccoli) che possono trovarsi sulla
sinistra o sulla destra dell’organismo
L’organismo ha una retina che codifica l’oggetto da
afferrare e risponde muovendo appropriatamente il
braccio e le dita della mano
Il comportamento dell’organismo è controllato da una rete
neurale con:
- 15 unità di input visivo (una retina 3x5), che codificano
l’oggetto da afferrare
- 5 unità di input propriocettivo che codificano la posizione
corrente del braccio e delle dita della mano
- 5 unità di output motorio che codificano la successiva
posizione del braccio e delle dita della mano
- 4 unità interne intermedie tra le unità di input visivo e le
unità di output motorio
movimento
braccio
movimento
dita
unità interne
propriocezione
braccio
retina
propriocezione
dita
grande
a sinistra
piccolo
a sinistra
grande
a destra
piccolo
a destra
Risultati
- Usando un algoritmo di apprendimento è possibile
creare una popolazione di organismi che si comportano
nel modo appropriato
- Esaminando il livello di attivazione delle quattro unità
interne, si osserva che in molte repliche della simulazione,
una unità tende ad avere un livello di attivazione che covaria con la posizione dell’oggetto, un’altra che co-varia
con le dimensioni dell’oggetto, mentre le altre due unità
hanno un livello di attivazione costante
- Le repliche della simulazione in cui la rappresentazione
delle azioni è così localizzata danno risultati migliori di
quelle in cui è più distribuita
- Lesionando ciascuna delle quattro unità interne, si
ottengono deficit di performance prevedibili in base
all’informazione che codificano
2. Ondate migratorie periodiche
(Federico Cecconi, Ugo Piazzalunga, Antonio Cerini,
Domenico Parisi)
Una popolazione di organismi vive in un ambiente in cui ci
sono elementi di cibo distribuiti a caso
Per sopravvivere e riprodursi gli organismi devono
avvicinarsi al cibo e mangiarlo
Quando un individuo si riproduce (non sessualmente) i figli
vengono messi accanto all’individuo
Il cibo consumato viene reimmesso periodicamente
(stagionalmente) nell’ambiente
Con determinati ritmi di reimmissione del cibo, si creano
ondate migratorie collettive periodiche
Gli individui tendono a concentrarsi in una determinata zona
dell’ambiente e ad allontanarsi tutti insieme da tale zona
quando il cibo in tale zona è stato consumato, invadendo
zone che essendo prive di individui, sono piene di cibo, per
poi dopo un po’ tornare nella zona iniziale
1
2
3
4
Periodic migratory waves
3. Coordinamento tra più organismi
(Vito Trianni, Stefano Nolfi)
Un gruppo di organismi deve muoversi in modo coordinato,
avvicinandosi e allontanandosi tutti insieme da una luce
centrale
4. Procurarsi cibo e sfuggire a un predatore
(Fabio Ruini e Domenico Parisi)
Livello strategico e livello tattico del comportamento
Livello strategico: decidere in ogni determinato momento
quale attività svolgere tra le diverse attività che l’organismo
sa svolgere
Livello tattico: decidere come svolgere l’attività decisa a
livello strategico, cioè quali movimenti del corpo eseguire in
modo da raggiungere l’obbiettivo dell’attività
La scelta a livello strategico è fondamentale perché tutti gli
organismi per sopravvivere e riprodursi hanno bisogno di
svolgere diversi tipi di attività ma non sono in grado di
svolgere più attività nello stesso momento
Esempi di attività diverse che un organismo può svolgere:
- procurarsi cibo
- procurarsi acqua
- evitare un predatore
- procurarsi un partner per la riproduzione
- fare qualcosa per ridurre le conseguenze negative di un
qualche danno al proprio corpo
Un organismo vive in un ambiente in cui ci sono elementi di
cibo sparsi a caso ma, in aggiunta, ogni tanto compare un
predatore
Per sopravvivere e riprodursi l’organismo deve procurarsi il
cibo ma deve anche evitare di farsi mangiare dal predatore
The world
La rete neurale che controlla il comportamento
dell’organismo ha unità di input che codificano la
posizione del cibo più vicino e unità di input che
codificano la posizione del predatore quando è presente
Le unità di output motorio codificano i movimenti
dell’organismo
Il comportamento che ci aspettiamo è che quando non c’è il
predatore, l’organismo si avvicini al cibo e lo mangi, mentre
quando c’è il predatore, l’organismo ignori il cibo e scappi
via dal predatore
Il livello strategico è scegliere tra mangiare o scappare dal
predatore; il livello tattico è quali movimenti fare una volta
che si è deciso di mangiare o di scappare dal predatore
Si riproducono gli individui con più fitness, dove la fitness è
il numero di cibi mangiati meno 10 x il numero di volte che
l’organismo è stato raggiunto dal predatore
(A) Confronto tra architetture con e senza “unità
motivazionali”
Architecture without “motivational units”
movement
location of
nearest food
location of
predator
Architecture with “motivational units”
movement
location of
nearest food
location of
predator
(C) Confronto con altre architetture
Architecture with 11 internal neurons
movement
location of
nearest food
location of
predator
Architecture with 9+2 internal neurons
movement
location of
nearest food
location of
predator
Average Fitness
Best Fitness
- 250
+ 150
0
+ 300
11 internal units
- 250
+ 130
9+2 internal units
- 200
+ 220
9 internal units
9 internal units with
motivational circuit
(B) Confronto tra diversi “pesi” della componente “farsi
prendere dal predatore”
Capture cost
Average fitness
Average food eaten
when predator present
2
193
65
5
41
62
10
-138
34
50
- 952
19
Capture cost
Best fitness
2
391
230
5
240
199
10
77
98
50
- 68
29
Capture cost
Average food eaten
Average captures suffered
2
295
51
5
261
44
10
132
27
50
48
20
Average food eaten
when predator absent
(D) Due tipi di lesioni alle “unità motivazionali”
Lower lesion
Higher lesion
No lesion
Lower lesion
Higher lesion
Average fitness
18
- 817
- 920
Best fitness
340
-178
- 414
Average food eaten
288
293
70
Average food eaten
with predator present
17
15
20
Average food eaten
with predator absent
271
276
50
Average captures suffered
27
111
99
Un problema della robotica è che in genere i robot non
vengono costruiti come strumenti di conoscenza scientifica,
cioè come un modo di formulare le teorie scientifiche
necessarie per capire il comportamento degli organismi,
ma vengono costruiti con intenti più o meno dichiarati di
tipo applicativo
Nella robotica con fini applicativi quello che è importante è
il livello tattico, non quello strategico
Se un robot viene costruito per svolgere “compiti al nostro
posto” (Bill Gates), in genere il robot viene costruito per
svolgere una sola attività, e quindi il problema strategico
non si pone neppure, e se il robot sa svolgere più attività,
siamo noi a dire al robot che cosa di volta in volta deve fare
I robot riproducono la forma esterna del corpo degli
organismi, non quello che c’è dentro al corpo
Il sistema nervoso riceve input sia dall’ambiente esterno che
da dentro al corpo
Gli input provenienti dall’ambiente esterno servono soltanto
alla componente tattica del comportamento, cioè per
decidere quali movimenti fare per raggiungere un certo
obbiettivo, e quindi forniscono una informazione molto
specifica e a carattere prevalentemente qualitativo
Gli input provenienti da dentro al corpo servono
prevalentemente alla funziona strategica, cioè per decidere
tra le diverse attività a cui si può dedicare l’organismo
Questa decisione è basata su un confronto tra l’intensità di
obbiettivi diversi, e quindi gli input che provengono da dentro
al corpo forniscono una informazione soprattutto quantitativa
In psicologia il livello tattico è quello della cognizione,
delle abilità, delle conoscenze
Il livello strategico è quello delle motivazioni e delle
emozioni
Dal punto di vista biologico, Il livello strategico è frutto
dell’evoluzione ed è fondamentalmente codificato nel
DNA, mentre il livello tattico è soprattutto frutto
dell’apprendimento
Dal punto di vista neurale, il livello tattico è soprattutto
compito della corteccia cerebrale e coinvolge i
neurostramettitori, mentre il livello strategico è compito
soprattutto della parte sottocorticale del cervello e
coinvolge i neuromodulatori
Dal punto di vista delle patologie, i disturbi del livello
tattico sono i disturbi neurologici, quelli del livello
strategico sono i disturbi psichiatrici e psicologici
La robotica si occupa delle capacità dei robot, non delle loro
motivazioni e emozioni
Le reti neurali sono fatte per il livello tattico, non per quello
strategico; in genere non distinguono tra corteccia e
strutture sottocorticali e tra neurotrasmettitori e
neuromodulatori, che hanno tipi di azione differenti
Rimane un compito per il futuro applicare i metodi della Vita
Artificiale allo studio del livello strategico del comportamento