Integra los componentes de evolución, desarrollo y aprendizaje presentes en los sistemas vivos
La imitación o la emulación de ciertas características presentes en los seres vivos que podemos observar en la Tierra ha constituido una meta recurrente en la historia de la ciencia y la tecnología humanas.
Desde los prototipos de máquinas voladoras de Leonardo da Vinci datadas a finales del siglo XV, pasando por la teoría de autómatas auto-replicantes de John von Neumann de mediados del siglo XX, hasta llegar a los recientes proyectos de la NASA para construir aviones de estado sólido sin partes móviles, un gran número de científicos e ingenieros han centrado sus investigaciones en analizar e intentar replicar de forma artificial algunas de las propiedades básicas apreciables en entidades biológicas.
La motivación fundamental que subyace en estos intentos de crear artefactos con capacidades similares a las de los seres vivos radica en que estos disponen de mecanismos que, una vez trasladados a sistemas artificiales, permiten resolver problemas complejos que abarcan desde la navegación autónoma en robots hasta el encaminamiento de información en redes telemáticas.
Tres ejes vitales
De forma genérica se puede considerar que la organización de los seres vivos en la Tierra se estructura alrededor de tres ejes fundamentales:
1. La filogénesis o evolución, que engloba todos aquellos mecanismos que, dirigidos por la selección natural, han dado lugar a la gran variedad de especies que se pueden observar actualmente. Los mecanismos evolutivos operan a nivel de poblaciones, y su resultado principal es la obtención de un código genético que permita a los individuos de una población concreta adaptarse de forma óptima al entorno en el cual llevan a cabo sus funciones.
2. La ontogénesis, que involucra a todos los mecanismos responsables del desarrollo de un individuo a partir de la información contenida en su código genético sin mediar influencia del entorno. La división y diferenciación celulares constituyen el núcleo básico de los mecanismos ontogenéticos. Consecuencia directa de estos mecanismos son ciertas propiedades de vital importancia para los seres vivos, como la auto-replicación o la auto-reparación (que habitualmente es posible apreciar en forma de cicatrización).
3. La epigénesis o aprendizaje, en la cual se incluyen los mecanismos que permiten a un determinado individuo modificar ciertos aspectos de su estructura interna o externa como resultado de la interacción con su entorno inmediato. La epigénesis representa por tanto el proceso de "sintonización" final mediante el cual cada individuo se adapta de forma eficiente a su entorno a partir de las capacidades contenidas en su código genético. Los ejemplos más evidentes de sistemas con capacidad de aprendizaje los constituyen el sistema nervioso central o el sistema inmunitario. En el caso del sistema nervioso central esta capacidad de aprendizaje resulta de capital importancia, pues el número estimado de conexiones sinápticas en un cerebro humano supera con creces el número de nucleótidos contenidos en el genoma humano.
Imitación electrónica integrada
Los mecanismos asociados a estos tres grandes ejes se han intentado realizar de forma separada en el pasado en forma de sistemas electrónicos. Sin embargo, la primera aproximación realista para tratar de integrar las características propias de los tres ejes en un dispositivo electrónico es la adoptada en el proyecto POEtic (donde las siglas POE provienen de las iniciales de las palabras que en inglés se utilizan para filogénesis – Phylogenesis -, ontogénesis – Ontogenesis – y epigénesis – Epigenesis).
Se trata de un proyecto europeo (IST-2000-28027) coordinado por la Universidad Politécnica de Cataluña y en el que participan la Universidad de York (Reino Unido), La Universidad de Glasgow (Reino Unido), la Universidad de Lausanne (Suiza) y la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (Suiza).
El objetivo fundamental del proyecto POEtic consiste en el desarrollo de un substrato electrónico multicelular con capacidades inspiradas en las propiedades de evolución, desarrollo y aprendizaje presentes en sistemas biológicos.
El resultado principal del proyecto ha consistido en el desarrollo del chip POETIC, un dispositivo electrónico a partir del cual se puede construir un tejido electrónico del tamaño necesario para resolver una aplicación específica. La organización de los dispositivos POETIC se estructura alrededor de tres subsistemas principales: el subsistema de entorno, el subsistema orgánico y la interfaz de sistema.
Tres subsistemas
El subsistema de entorno es el encargado de gestionar la interacción (recepción de señales eléctricas procedentes de sensores y generación de señales eléctricas de salida que controlan actuadores) del dispositivo con el entorno inmediato en el que lleva a cabo su función.
Este subsistema se encarga también de realizar los mecanismos evolutivos incluidos en el dispositivo. El núcleo básico del subsistema de entorno lo constituye un microprocesador RISC de 32 bits desarrollado específicamente para el proyecto, el cual lleva asociados una serie de periféricos de comunicación.
El subsistema orgánico constituye el substrato básico funcional del dispositivo, ya que se encarga de realizar físicamente los mecanismos ontogenéticos y epigenéticos. Este subsistema está organizado físicamente como una matriz bidimensional de elementos programables, a los que se denomina moléculas. Las moléculas se pueden configurar para realizar funciones digitales básicas, de forma que combinando moléculas es posible construir células con una funcionalidad tan compleja como se desee.
Conexión celular automática
Aunque la estructura funcional básica de estas moléculas es similar a la que se puede encontrar en dispositivos programables comerciales (FPGAs – Field Programmable Gate Arrays), sin embargo incluyen una característica que hasta ahora no ha estado presente en ningún dispositivo electrónico programable, como es la posibilidad de llevar a cabo una conexión automática entre células.
En un dispositivo programable convencional, la disposición y conexionado de los elementos funcionales básicos que constituyen el sistema se determina mediante algoritmos de emplazamiento (placement) y conexionado (routing) de elevada carga computacional y que deben ejecutarse fuera del dispositivo (habitualmente en un ordenador o estación de trabajo).
Esto implica que los dispositivos basados en estas arquitecturas convencionales no son capaces de modificar de forma autónoma su funcionalidad (inclusión/adición de un nuevo elemento funcional o reconexión de los ya existentes), y que a menudo sea necesario incluso parar la operación normal del dispositivo cuando esta funcionalidad es modificada.
Alto grado de plasticidad
En los dispositivos POETIC existe un plano de conexionado superpuesto al plano de funcionalidad física de las moléculas. Este plano de conexionado, constituido por unidades hardware específicas, permite llevar a cabo la conexión automática de células (conjuntos de moléculas) sin necesidad de intervención externa alguna.
Estas características de conexionado automático realizadas directamente en hardware permiten dotar al sistema implementado con los dispositivos POETIC de un alto grado de plasticidad (se puede añadir o modificar la funcionalidad existente mientras el sistema está en modo de operación normal), así como incrementar sus características de fiabilidad (cuando se detecta que una célula es defectuosa se puede replicar su funcionalidad en un lugar diferente de la matriz, efectuándose a continuación su conexión de forma automática).
Otra propiedad importante de las moléculas que constituyen el subsistema orgánico del dispositivo POETIC radica en la posibilidad de modificar de forma autónoma su configuración, de forma similar a la que está disponible en los dispositivos Cell Matrix. Esto permite facilitar la implementación de mecanismos evolutivos o de aprendizaje.
Interfaz de entorno y orgánico
Finalmente, la interfaz de sistema permite una comunicación eficiente entre los sistemas de entorno y orgánico. Además, este subsistema se encarga de facilitar las propiedades de escalabilidad del tejido electrónico, de forma que sea posible utilizar tantos dispositivos POETIC como sea necesario para resolver un problema específico. Para ello todos los dispositivos se comunican utilizando un bus de sistema eficiente, derivado de la especificación AMBA de ARM Ltd.
Además, cada dispositivo dispone de lo que se denomina unidad de configuración, que se encarga de asignar a cada dispositivo unas coordenadas en función de la posición que ocupe en la matriz. Esta asignación se realiza de forma automática mediante un proceso de propagación de coordenadas que comienza en un dispositivo maestro y que a partir de él progresa de forma bidimensional por la matriz de dispositivos hasta que todos están configurados.
Una vez completado el proceso de asignación de coordenadas el dispositivo maestro puede acceder al subsistema orgánico situado en cualquier otro dispositivo, de forma que el tamaño real de este subsistema se puede dimensionar de acuerdo con las especificaciones del problema a tratar.
Cuádruple verificación
Para validar las características incluidas en los dispositivos POETIC se han utilizado cuatro aplicaciones de prueba:
1. Navegación autónoma de robots unida al reconocimiento de estímulos dinámicos. Tanto el controlador de navegación del robot como la unidad de reconocimiento de estímulos dinámicos se generan automáticamente utilizando algoritmos evolutivos basados en principios morfogenéticos.
2. Emulación de modelos de redes neuronales bio-inspirados de gran escala. El objetivo de esta aplicación consiste en utilizar la plataforma proporcionada por los dispositivos POETIC como acelerador hardware para analizar en tiempo real la dinámica de modelos de redes neuronales que se han desarrollado también como parte del proyecto.
3. Síntesis de voz artificial utilizando métodos evolutivos. El método de síntesis utilizado está basado en redes de guías de ondas (Waveguide Meshes).
4. Una instalación artística multisensorial, denominada POETIC-Cubes, constituida por nueve robots autónomos que interactúan con el usuario o con el grupo de usuarios presentes en un momento dado. Con esta instalación se pretende potenciar la percepción que una persona tiene de su cuerpo y de las acciones que lleva a cabo con él.
Plataforma eficiente
En general, los mecanismos integrados en los dispositivos POETIC hacen de ellos una plataforma eficiente para la implementación de sistemas cuyos requisitos sean:
A. La autonomía, factor especialmente importante en el caso de sistemas que tienen que llevar a cabo su función en entornos remotos y/o hostiles.
B. La adaptabilidad, requisito muy importante cuando el sistema que se trata de diseñar debe interactuar con un entorno desconocido o difícil de caracterizar, como sucede por ejemplo en el caso de misiones espaciales. Se pueden encontrar ejemplos de la utilización de métodos evolutivos en aplicaciones espaciales en el grupo de sistemas evolutivos del centro de investigación Ames de la NASA o en el laboratorio de hardware evolutivo del Jet Propulsion Laboratory, también de la Nasa. Esta capacidad también es muy importante para desarrollar sistemas que permitan construir interfaces de interacción con capacidad de tener en cuenta las características específicas de un usuario. Un claro ejemplo de este tipo de aplicaciones es la prótesis de mano con controlador evolutivo desarrollada en el grupo de sistemas hardware evolutivos del Instituto nacional de ciencia y tecnología industriales avanzadas de Japón.
C. La fiabilidad, característica primordial de sistemas que deben realizar tareas críticas o que tienen que desarrollar su función en entornos ruidosos o susceptibles de provocar fallos sobre el sistema.
Desde los prototipos de máquinas voladoras de Leonardo da Vinci datadas a finales del siglo XV, pasando por la teoría de autómatas auto-replicantes de John von Neumann de mediados del siglo XX, hasta llegar a los recientes proyectos de la NASA para construir aviones de estado sólido sin partes móviles, un gran número de científicos e ingenieros han centrado sus investigaciones en analizar e intentar replicar de forma artificial algunas de las propiedades básicas apreciables en entidades biológicas.
La motivación fundamental que subyace en estos intentos de crear artefactos con capacidades similares a las de los seres vivos radica en que estos disponen de mecanismos que, una vez trasladados a sistemas artificiales, permiten resolver problemas complejos que abarcan desde la navegación autónoma en robots hasta el encaminamiento de información en redes telemáticas.
Tres ejes vitales
De forma genérica se puede considerar que la organización de los seres vivos en la Tierra se estructura alrededor de tres ejes fundamentales:
1. La filogénesis o evolución, que engloba todos aquellos mecanismos que, dirigidos por la selección natural, han dado lugar a la gran variedad de especies que se pueden observar actualmente. Los mecanismos evolutivos operan a nivel de poblaciones, y su resultado principal es la obtención de un código genético que permita a los individuos de una población concreta adaptarse de forma óptima al entorno en el cual llevan a cabo sus funciones.
2. La ontogénesis, que involucra a todos los mecanismos responsables del desarrollo de un individuo a partir de la información contenida en su código genético sin mediar influencia del entorno. La división y diferenciación celulares constituyen el núcleo básico de los mecanismos ontogenéticos. Consecuencia directa de estos mecanismos son ciertas propiedades de vital importancia para los seres vivos, como la auto-replicación o la auto-reparación (que habitualmente es posible apreciar en forma de cicatrización).
3. La epigénesis o aprendizaje, en la cual se incluyen los mecanismos que permiten a un determinado individuo modificar ciertos aspectos de su estructura interna o externa como resultado de la interacción con su entorno inmediato. La epigénesis representa por tanto el proceso de "sintonización" final mediante el cual cada individuo se adapta de forma eficiente a su entorno a partir de las capacidades contenidas en su código genético. Los ejemplos más evidentes de sistemas con capacidad de aprendizaje los constituyen el sistema nervioso central o el sistema inmunitario. En el caso del sistema nervioso central esta capacidad de aprendizaje resulta de capital importancia, pues el número estimado de conexiones sinápticas en un cerebro humano supera con creces el número de nucleótidos contenidos en el genoma humano.
Imitación electrónica integrada
Los mecanismos asociados a estos tres grandes ejes se han intentado realizar de forma separada en el pasado en forma de sistemas electrónicos. Sin embargo, la primera aproximación realista para tratar de integrar las características propias de los tres ejes en un dispositivo electrónico es la adoptada en el proyecto POEtic (donde las siglas POE provienen de las iniciales de las palabras que en inglés se utilizan para filogénesis – Phylogenesis -, ontogénesis – Ontogenesis – y epigénesis – Epigenesis).
Se trata de un proyecto europeo (IST-2000-28027) coordinado por la Universidad Politécnica de Cataluña y en el que participan la Universidad de York (Reino Unido), La Universidad de Glasgow (Reino Unido), la Universidad de Lausanne (Suiza) y la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (Suiza).
El objetivo fundamental del proyecto POEtic consiste en el desarrollo de un substrato electrónico multicelular con capacidades inspiradas en las propiedades de evolución, desarrollo y aprendizaje presentes en sistemas biológicos.
El resultado principal del proyecto ha consistido en el desarrollo del chip POETIC, un dispositivo electrónico a partir del cual se puede construir un tejido electrónico del tamaño necesario para resolver una aplicación específica. La organización de los dispositivos POETIC se estructura alrededor de tres subsistemas principales: el subsistema de entorno, el subsistema orgánico y la interfaz de sistema.
Tres subsistemas
El subsistema de entorno es el encargado de gestionar la interacción (recepción de señales eléctricas procedentes de sensores y generación de señales eléctricas de salida que controlan actuadores) del dispositivo con el entorno inmediato en el que lleva a cabo su función.
Este subsistema se encarga también de realizar los mecanismos evolutivos incluidos en el dispositivo. El núcleo básico del subsistema de entorno lo constituye un microprocesador RISC de 32 bits desarrollado específicamente para el proyecto, el cual lleva asociados una serie de periféricos de comunicación.
El subsistema orgánico constituye el substrato básico funcional del dispositivo, ya que se encarga de realizar físicamente los mecanismos ontogenéticos y epigenéticos. Este subsistema está organizado físicamente como una matriz bidimensional de elementos programables, a los que se denomina moléculas. Las moléculas se pueden configurar para realizar funciones digitales básicas, de forma que combinando moléculas es posible construir células con una funcionalidad tan compleja como se desee.
Conexión celular automática
Aunque la estructura funcional básica de estas moléculas es similar a la que se puede encontrar en dispositivos programables comerciales (FPGAs – Field Programmable Gate Arrays), sin embargo incluyen una característica que hasta ahora no ha estado presente en ningún dispositivo electrónico programable, como es la posibilidad de llevar a cabo una conexión automática entre células.
En un dispositivo programable convencional, la disposición y conexionado de los elementos funcionales básicos que constituyen el sistema se determina mediante algoritmos de emplazamiento (placement) y conexionado (routing) de elevada carga computacional y que deben ejecutarse fuera del dispositivo (habitualmente en un ordenador o estación de trabajo).
Esto implica que los dispositivos basados en estas arquitecturas convencionales no son capaces de modificar de forma autónoma su funcionalidad (inclusión/adición de un nuevo elemento funcional o reconexión de los ya existentes), y que a menudo sea necesario incluso parar la operación normal del dispositivo cuando esta funcionalidad es modificada.
Alto grado de plasticidad
En los dispositivos POETIC existe un plano de conexionado superpuesto al plano de funcionalidad física de las moléculas. Este plano de conexionado, constituido por unidades hardware específicas, permite llevar a cabo la conexión automática de células (conjuntos de moléculas) sin necesidad de intervención externa alguna.
Estas características de conexionado automático realizadas directamente en hardware permiten dotar al sistema implementado con los dispositivos POETIC de un alto grado de plasticidad (se puede añadir o modificar la funcionalidad existente mientras el sistema está en modo de operación normal), así como incrementar sus características de fiabilidad (cuando se detecta que una célula es defectuosa se puede replicar su funcionalidad en un lugar diferente de la matriz, efectuándose a continuación su conexión de forma automática).
Otra propiedad importante de las moléculas que constituyen el subsistema orgánico del dispositivo POETIC radica en la posibilidad de modificar de forma autónoma su configuración, de forma similar a la que está disponible en los dispositivos Cell Matrix. Esto permite facilitar la implementación de mecanismos evolutivos o de aprendizaje.
Interfaz de entorno y orgánico
Finalmente, la interfaz de sistema permite una comunicación eficiente entre los sistemas de entorno y orgánico. Además, este subsistema se encarga de facilitar las propiedades de escalabilidad del tejido electrónico, de forma que sea posible utilizar tantos dispositivos POETIC como sea necesario para resolver un problema específico. Para ello todos los dispositivos se comunican utilizando un bus de sistema eficiente, derivado de la especificación AMBA de ARM Ltd.
Además, cada dispositivo dispone de lo que se denomina unidad de configuración, que se encarga de asignar a cada dispositivo unas coordenadas en función de la posición que ocupe en la matriz. Esta asignación se realiza de forma automática mediante un proceso de propagación de coordenadas que comienza en un dispositivo maestro y que a partir de él progresa de forma bidimensional por la matriz de dispositivos hasta que todos están configurados.
Una vez completado el proceso de asignación de coordenadas el dispositivo maestro puede acceder al subsistema orgánico situado en cualquier otro dispositivo, de forma que el tamaño real de este subsistema se puede dimensionar de acuerdo con las especificaciones del problema a tratar.
Cuádruple verificación
Para validar las características incluidas en los dispositivos POETIC se han utilizado cuatro aplicaciones de prueba:
1. Navegación autónoma de robots unida al reconocimiento de estímulos dinámicos. Tanto el controlador de navegación del robot como la unidad de reconocimiento de estímulos dinámicos se generan automáticamente utilizando algoritmos evolutivos basados en principios morfogenéticos.
2. Emulación de modelos de redes neuronales bio-inspirados de gran escala. El objetivo de esta aplicación consiste en utilizar la plataforma proporcionada por los dispositivos POETIC como acelerador hardware para analizar en tiempo real la dinámica de modelos de redes neuronales que se han desarrollado también como parte del proyecto.
3. Síntesis de voz artificial utilizando métodos evolutivos. El método de síntesis utilizado está basado en redes de guías de ondas (Waveguide Meshes).
4. Una instalación artística multisensorial, denominada POETIC-Cubes, constituida por nueve robots autónomos que interactúan con el usuario o con el grupo de usuarios presentes en un momento dado. Con esta instalación se pretende potenciar la percepción que una persona tiene de su cuerpo y de las acciones que lleva a cabo con él.
Plataforma eficiente
En general, los mecanismos integrados en los dispositivos POETIC hacen de ellos una plataforma eficiente para la implementación de sistemas cuyos requisitos sean:
A. La autonomía, factor especialmente importante en el caso de sistemas que tienen que llevar a cabo su función en entornos remotos y/o hostiles.
B. La adaptabilidad, requisito muy importante cuando el sistema que se trata de diseñar debe interactuar con un entorno desconocido o difícil de caracterizar, como sucede por ejemplo en el caso de misiones espaciales. Se pueden encontrar ejemplos de la utilización de métodos evolutivos en aplicaciones espaciales en el grupo de sistemas evolutivos del centro de investigación Ames de la NASA o en el laboratorio de hardware evolutivo del Jet Propulsion Laboratory, también de la Nasa. Esta capacidad también es muy importante para desarrollar sistemas que permitan construir interfaces de interacción con capacidad de tener en cuenta las características específicas de un usuario. Un claro ejemplo de este tipo de aplicaciones es la prótesis de mano con controlador evolutivo desarrollada en el grupo de sistemas hardware evolutivos del Instituto nacional de ciencia y tecnología industriales avanzadas de Japón.
C. La fiabilidad, característica primordial de sistemas que deben realizar tareas críticas o que tienen que desarrollar su función en entornos ruidosos o susceptibles de provocar fallos sobre el sistema.
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