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Modelo muestra cómo un comportamiento similar al inteligente puede surgir de agentes no vivos

14 de diciembre de 2022

Desde la distancia, parecían nubes de polvo. Sin embargo, el enjambre de microrobots en el éxito de ventas «Prey» del autor Michael Crichton fue autoorganizado. Actuó con inteligencia rudimentaria, aprendiendo, evolucionando y comunicándose consigo mismo para volverse más poderoso.

Un nuevo modelo de un equipo de investigadores dirigido por Penn State e inspirado en la novela de Crichton describe cómo los sistemas biológicos o técnicos forman estructuras complejas equipadas con capacidades de procesamiento de señales que permiten que los sistemas respondan al estímulo y realicen tareas funcionales sin una guía externa.

«Básicamente, estos pequeños nanobots se vuelven autoorganizados y conscientes de sí mismos», dijo Igor Aronson, profesor de ingeniería biomédica, química y matemáticas de la cátedra Huck en Penn State, al explicar la trama del libro de Crichton. La novela inspiró a Aronson a estudiar el surgimiento del movimiento colectivo entre agentes autopropulsados ​​que interactúan. La investigación fue publicada recientemente en Comunicaciones de la naturaleza.

Aronson y un equipo de físicos de la Universidad LMU de Múnich han desarrollado un nuevo modelo para describir cómo los sistemas biológicos o sintéticos forman estructuras complejas equipadas con capacidades mínimas de procesamiento de señales que permiten que los sistemas respondan a estímulos y realicen tareas funcionales sin guía externa. . Los hallazgos tienen implicaciones en la microrobótica y para cualquier campo que involucre materiales funcionales autoensamblados formados por bloques de construcción simples, dijo Aronson. Por ejemplo, los ingenieros en robótica podrían crear enjambres de microrobots capaces de realizar tareas complejas como la eliminación de contaminantes o la detección de amenazas.

«Si observamos la naturaleza, vemos que muchos seres vivos dependen de la comunicación y el trabajo en equipo porque aumentan sus posibilidades de supervivencia», dijo Aronson.

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El modelo informático concebido por investigadores de Penn State y la Universidad Ludwig-Maximillian predijo que las comunicaciones de pequeños agentes autopropulsados ​​conducen a un comportamiento colectivo similar al inteligente. El estudio demostró que las comunicaciones amplían drásticamente la capacidad de una unidad individual para formar estados funcionales complejos similares a los sistemas vivos.

El equipo construyó su modelo para imitar el comportamiento de las amebas sociales, organismos unicelulares que pueden formar estructuras complejas comunicándose a través de señales químicas. Estudiaron un fenómeno en particular. Cuando la comida escasea, las amebas emiten un químico mensajero conocido como monofosfato de adenosina cíclico (cAMP), que induce a las amebas a reunirse en un solo lugar y formar un agregado multicelular.

«El fenómeno es bien conocido», dijo en un comunicado el coautor Erwin Frey de Ludwig-Maximilians-Universität München. «Hasta ahora, sin embargo, ningún grupo de investigación ha investigado cómo el procesamiento de la información, a nivel general, afecta la agregación de sistemas de agentes cuando los agentes individuales, en nuestro caso, las amebas, son autopropulsados».

Durante décadas, los científicos han buscado una mejor comprensión de la «materia activa», los sistemas biológicos o sintéticos que transforman la energía almacenada en el medio ambiente, por ejemplo, un nutriente, en movimiento mecánico y forman estructuras más grandes por medio de la autoorganización. Tomado individualmente, el material no tiene inteligencia ni funcionalidad, pero colectivamente, el material es capaz de responder a su entorno con una especie de inteligencia emergente, explicó Aronson. Es un concepto antiguo con aplicaciones futuristas.

Aristóteles articuló la teoría de la emergencia hace unos 2.370 años en su tratado «Metafísica». Su lenguaje se parafrasea comúnmente como «el todo es mayor que la suma de las partes». En un futuro no muy lejano, Aronson dice que la investigación de sistemas emergentes podría conducir a nanobots del tamaño de una célula que se autoorganizan dentro del cuerpo para combatir virus o enjambres de microrobots autónomos que pueden coordinarse en formaciones complejas sin un piloto.

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«Por lo general, hablamos de la inteligencia artificial como una especie de androide sensible con un pensamiento elevado», dijo Aronson. «En lo que estoy trabajando es en inteligencia artificial distribuida. Cada elemento no tiene ninguna inteligencia, pero una vez que se juntan, son capaces de responder y tomar decisiones colectivamente».

Actualmente existe una gran demanda de inteligencia artificial distribuida en el campo de la robótica, explicó Aronson.

«Si está diseñando un robot de la manera más rentable posible, no querrá hacerlo demasiado complejo», dijo. “Queremos hacer pequeños robots que sean muy simples, solo unos pocos transistores, que cuando trabajen juntos tengan la misma funcionalidad que una máquina compleja, pero sin la costosa y complicada maquinaria. Este descubrimiento abrirá nuevas vías para aplicaciones de materia activa en nanociencia y robótica».

Aronson explicó que, desde un punto de vista práctico, la inteligencia artificial distribuida podría usarse en cualquier tipo de sustancia que tenga partículas microscópicamente dispersas suspendidas en su interior. Podría implementarse dentro del cuerpo para administrar un medicamento para combatir enfermedades o activar pequeños circuitos electrónicos en microrobots fabricados en masa.

«A pesar de su importancia, el papel de la comunicación en el contexto de la materia activa sigue sin explorarse en gran medida», escribieron los investigadores. «Identificamos la maquinaria de toma de decisiones de los agentes activos individuales como el mecanismo impulsor de la autoorganización controlada colectivamente del sistema».

Los otros coautores del artículo son Alexander Ziepke, Ivan Maryshev y Erwin Frey de Ludwig-Maximilians-Universität München. La investigación de Igor Aronson fue apoyada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la fundación Alexander-von-Humboldt.

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