BIO-INSPIRED (AI.1.3.1)

Tateo’s Interdisciplinary Lifelong Learning Project

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LEARNING - SHARING - NETWORKING

Learning, knowledge sharing and Communities engagement about: Artificial Intelligence, Augmented / Virtual / Mixed Reality, Automation, Electronics, Computer Science and Information Technology, Mobile Technologies, Problem Solving, Readings, Social Media, Simulation, Artificial Vision, Work and Soft Skills

by Tateo Giovanni Battista

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LEARNING

ARTIFICIAL INTELLIGENCE

The Artificial Intelligence inspired to the life principles: the Artificial Life.

L'Intelligenza Artificiale ispirata ai meccanismi della vita: la Vita Artificiale.

Hashtag keywords: #artificialIntelligence #optimization #heuristics #artificialLife #alife #bioInspired #antColony #Swarm #geneticAlgorithms #geneticProgramming #deepLearning #TILLL #TateoBlog

Summary. The optimization problems of complex systems can be solved in a heuristic way inspired by the natural mechanisms that regulate the life of us human beings. My experience in particular is based on techniques inspired by evolutionary genetic mechanisms. However, in this article I also intend to mention the other techniques, equally important and fascinating such as, for example, those that are inspired by the social and collaborative behavior of ants, those that are inspired by the collective intelligence typical of swarms, and those that are inspired by learning mechanisms of the human brain.

{I problemi di ottimizzazione di sistemi complessi possono essere risolti in modo euristico ispirandosi ai meccanismi naturali che regolano la vita di noi esseri umani. La mia esperienza in particolare è basata sulle tecniche che si ispirano ai meccanismi genetici evolutivi. Tuttavia, in questo articolo intendo accennare anche alle altre tecniche, ugualmente importanti ed affascinanti come, per esempio, quelle che si ispirano al comportamento sociale e collaborativo delle formiche, quelle che si ispirano alla intelligenza collettiva tipica degli sciami, e quelle che si ispirano ai meccanismi di apprendimento del cervello umano}

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§1. Inspiration from life and natural phenomena.

Ispirazione alla vita ed ai fenomeni naturali.

Among the heuristic artificial intelligence techniques that are used to solve complex problems, the most fascinating are those that are inspired by the natural mechanisms of life. If it is true that natural species evolve and adapt to the environment in which they live in order to survive, we wonder why the same virtuous mechanism cannot also be used to automatically find effective solutions to complex design problems. For this reason, over time there has been a tendency towards techniques that are not based on human intelligence but rather that "emerge naturally" through a Darwinian evolutionary mechanism.

Tra le tecniche di intelligenza artificiale euristiche che sono utilizzate per la soluzione di problemi complessi, quelle più affascinanti sono quelle che si ispirano ai meccanismi naturali della vita. Se è vero che le specie naturali per sopravvivere evolvono e si adattano all'ambiente in cui vivono, ci domandiamo perché lo stesso meccanismo virtuoso non possa essere utilizzato anche per trovare in modo automatico delle soluzioni efficaci a problemi di progettazione complessi. Per questo motivo nel tempo ci si è orientati a tecniche che non sono basate sulla intelligenza umana ma piuttosto che “emergono naturalmente” tramite un meccanismo di evoluzione darwiniana.

These techniques have been given the name of Artificial Life (abbreviated alife), a term coined by the computer scientist Christopher Langton in 1986. Artificial life is the study of life, that is, of natural organisms, through the use of man-made artificial analogues. The process therefore consists in a phase of synthesis of the artificial system, analogous to the living system to be studied, and in a phase of life simulation.

A queste tecniche è stato dato il nome di Artificial Life (abbreviato alife), termine coniato dall'informatico Christopher Langton nel 1986. La vita artificiale è lo studio della vita, ossia di organismi naturali, mediante l'uso di analoghi artificiali, costruiti dall'uomo. Il processo consiste in quindi in una fase di sintesi del sistema artificiale, analogo al sistema vivente che si intende studiare, ed in una fase di simulazione della vita.

The goal of these heuristics techniques based on artificial life is not to define an agent for a specific task to be solved, but rather to adapt to the environment; "What" the agent will do and "how" he will do it will be discovered and decided by the evolution of the system. The orientation of Artificial Life is to replicate the mechanisms of life. The alife, using techniques such as cellular automata, genetic algorithms and neural networks, is inspired for example by bacteria or social animals such as ants and termites.

L’obiettivo di queste tecniche euristiche basate sulla vita artificiale non è quello di definire un agente per un compito specifico da risolvere, ma piuttosto l’adattamento all’ambiente; “cosa” farà l’agente e “come” lo farà sarà scoperto e deciso dall’evoluzione del sistema. L’orientamento della Artificial Life è quello di replicare i meccanismi della vita. La alife, utilizzando tecniche come gli automi cellulari, gli algoritmi genetici e le reti neurali, si ispira per esempio ai batteri oppure agli animali sociali come le formiche e le termiti.

Hashtag keywords: #heuristics #artificialLife #alife #simulation

Reference for deep and insights.

1. Artificial life, Wikipedia (link)

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updated June 9, 2022

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§2. Swarm Intelligence.

Intelligenza dello sciame.

Swarm intelligence takes into consideration the study of self-organized systems, in which a complex action derives from a collective intelligence, as happens in nature in the case of colonies of insects or flocks of birds, or schools of fish, or herds of mammals.

{La swarm intelligence, traducibile come: intelligenza dello sciame, prende in considerazione lo studio dei sistemi auto-organizzati, nei quali un'azione complessa deriva da un'intelligenza collettiva, come accade in natura nel caso di colonie di insetti o stormi di uccelli, oppure branchi di pesci, o mandrie di mammiferi}

Swarm intelligence can be defined as the property of those systems in which the collective behavior of (unsophisticated) agents interacting locally with the environment produces the emergence of a more complex global functionality in the system.

Swarm systems are characterized by the absence of a coordinating body. For example, in a swarm of bees, the queen bee does not coordinate the activity of the other bees. Furthermore, the individuals (agents) who make up the collectivity are characterized by the fact that they have "limited capabilities" and by the fact that they do not know the global state of the system.

{La swarm intelligence può essere definita come la proprietà di quei sistemi in cui il comportamento collettivo di agenti (non sofisticati) che interagiscono localmente con l'ambiente produce l'emergere di una funzionalità globali più complessa nel sistema.

I sistemi swarm sono caratterizzati dall'assenza di un ente coordinatore. Ad esempio in uno sciame di api, l'ape regina non coordina l'attività delle altre api. Inoltre gli individui (agenti) che costituiscono la collettività sono caratterizzati dal fatto di aver "capacità limitate" e dal non fatto di non conoscere lo stato globale del sistema}

The extraordinary nature of these organizations lies in the fact that an overall and complex management is obtained from the sum of simple actions. Think of the functions carried out in full autonomy and without a coordinating body by the ant colonies to build the nest, defend the territory, procure food.

{La straordinarietà di queste organizzazioni risiede nel fatto che una gestione complessiva e complessa si ottiene dalla somma di azioni semplici. Si pensi alle funzioni svolte in piena autonomia e senza un ente coordinatore dalle colonie di formiche per costruire il nido, difendere il territorio, procacciarsi il cibo}

This type of organization is generally found in animal species, such as insects, with a very limited amount of single intelligence. Therefore, in order to survive, they must necessarily compensate for this gap with collaboration.

{Questo tipo di organizzazione si ritrova generalmente nelle specie di animali, come gli insetti, dotati di una quantità molto limitata di intelligenza singola. Per cui essi per sopravvivere devono necessariamente compensare questa lacuna con la collaborazione}

The most interesting aspect of systems based on swarm intelligence, compared to traditional systems, is that the set of individuals that make it up work without centralized control. The observable collective behavior is, therefore, the result of the simple iterations that a single component has towards the others or towards the environment.

{L'aspetto più interessante dei sistemi basati sulla swarm intelligence, rispetto ai sistemi tradizionali, è che l'insieme degli individui che lo compongono lavora senza un controllo centralizzato. Il comportamento collettivo osservabile è, quindi, il frutto delle semplici iterazioni che ha un singolo componente verso gli altri oppure verso l'ambiente}

Hashtag keywords: #bioInspired #swarm #collectiveIntelligence

Resources.

(1) Swarm intelligence, Wikipedia

(2) Swarm behaviour, Wikipedia

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3. Ant Colony Optimization and Stigmergy.

Ottimizzazione e stigmergia delle colonie di formiche.

A typical example of swarm intelligence is represented by ant colonies. Think, for example, of the process of searching for food that they adopt.

Un esempio tipico di swarm intelligence è rappresentato dalle colonie di formiche. Si pensi per esempio al processo di ricerca del cibo che esse adottano.

Each ant, while walking, deposits a chemical substance on the ground, the pheromone. The choice of the path to follow in search of food is guided by the intensity of the pheromone: the more intense it is, the more likely it is that a certain direction will be chosen; but the pheromone evaporates over time, so only the most frequently used pathways will remain "marked".

Ogni formica, mentre cammina, deposita sul terreno una sostanza chimica, il feromone. La scelta del percorso da seguire alla ricerca del cibo è guidata dall'intensità del feromone: più esso è intenso, più è probabile che venga scelta una determinata direzione; ma il feromone evapora nel tempo, quindi rimarranno "marcati" solo i percorsi usati più di frequente.

This technique, often identified with the term "stigmergy", solves problems that can be reduced to the search for optimal paths in a graph. The idea is inspired by the behavior of ants that in search of food randomly explore the environment and when they find it they return to the colony leaving chemical traces (pheromones), possibly reinforced by other ants.

Questa tecnica, spesso identificata col termine di "stigmergy", risolve problemi che possono essere ridotti alla ricerca di cammini ottimi in un grafo. L’idea si ispira al comportamento delle formiche che in cerca di cibo esplorano a caso l’ambiente e quando lo trovano ritornano alla colonia lasciando tracce chimiche (feromoni), eventualmente rinforzate da altre formiche.

Hashtag keywords: #bioInspired #antColonyOptimization #stigmergy

Resources.

(1) Swarm intelligence, Wikipedia

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§4. Algoritmi Evoluzionistici.

La teoria dell'evoluzione delle specie animali e vegetali che è stata elaborata da Charles Darwin, lega le possibilità di sopravvivenza di un individuo principalmente alla sua capacità di adattamento all'ambiente (fitness). I mezzi che, in ciascun individuo, caratterizzano tale capacità risiedono nel suo patrimonio genetico, cioè in un insieme di informazioni ereditate anzitutto da padre e madre (crossover) e successivamente assoggettate parzialmente a un processo di cambiamento casuale (mutazione) per far sì che ognuno abbia una identità propria, distinta da quella dei genitori. Gli individui più deboli, meno idonei a far fronte all'ambiente, muoiono, in genere, prima degli altri e, perciò, si riproducono di meno; quelli più forti sopravvivono generalmente più a lungo e si riproducono maggiormente. L'effetto di questo processo è una più diffusa trasmissione delle caratteristiche migliori che, su tempi lunghi, porta automaticamente all'evoluzione della specie e all'esistenza di generazioni in possesso di capacità di adattamento all'ambiente sempre maggiori.

If you are interested in learning more about the Artificial Intelligence methods based on evolutionary algorithms, then allow me to invite you to read the following article, that deal specifically by this theme [, and that is the lead article of the “<>” area of the Tateo~Blog Encyclopedia (>)].

Se ti interessa approfondire i metodi di Intelligenza Artificiale basati su algoritmi evoluzionistici, allora permettimi di invitarti a leggere il seguente articolo, che tratta specificatamente di questo argomento [, e che costituisce l’articolo principale dell’area “Problem Solving” della Encyclopedia (>) di Tateo~Blog (>)].

Artificial Intelligence based on Evolutionary Algorithms.

Intelligenza Artificiale basata su Algoritmi Evoluzionistici.

(AI.1.3.1.3)

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5. Deep Learning.

L’apprendimento profondo (in inglese Deep Learning) costituisce un importante campo dell’apprendimento automatico e dell’intelligenza artificiale che è ispirata al cervello umano.

La Deep Learning viene tipicamente implementata per attività complesse della computer vision e della bio-informatica, come per esempio il riconoscimento automatico delle immagini e dei volti, la classificazione delle immagini, il riconoscimento vocale, il riconoscimento automatico del discorso. Grazie alla Deep Learning è possibile creare e addestrare modelli di apprendimento capaci di gestire grandi volumi di dati per riconoscere i pattern presenti nell’audio, nelle immagini, nei video, nei testi e nei dati provenienti da sensori. La Deep Learning si basa sulle reti neurali artificiali (Artificial Neural Network in inglese, ANN brevemente), che sono tra i concetti fondamentali dell’intelligenza artificiale e che risalgono addirittura agli anni ‘40. Ma allora vi chiederete: come mai se ne sente parlare solo oggi di Deep Learning? Dovete sapere che la Deep Learning ha bisogno di elevate potenze di calcolo ed elevate quantità di dati per l’addestramento. Dovete sapere che solo recentemente sono nate tecnologie che soddisfano queste due esigenze: mi riferisco al calcolo per mezzo delle Graphic Processing Unit (GPU) ed alla valanga di informazioni prodotte dalle nuove tecnologie informatiche e che costituiscono il fenomeno noto col nome di Big Data. La disponibilità di enormi basi di dati gioca un ruolo fondamentale, in quanto permette a questi sistemi di auto-addestrarsi facendo a meno dell’intervento umano per la costituzione dei training set, come avviene per i tipici classificatori che sono basati sulle reti neurali convenzionali. Prima di consigliarvi qualche link per approfondire eventualmente questa nuova tecnologia, vi voglio rivelare un’ultima curiosità sul termine “profondo” utilizzato per denominare il particolare tipo di apprendimento che sta alla base del Deep Learning: il termine “profondo” o “spesso” (per l’appunto “deep” in inglese) si riferisce alla particolare caratteristica delle reti neurali che per questa applicazione sono costituite da tanti livelli, molti di più delle convenzionali reti neurali.

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6. Bio-inspiration in computer science and electronics.

Ispirazioni ai fenomeni natura nell’Informatica e nell’Elettronica.

Artificial intelligence is not the only technological field in which we are inspired by the typical mechanisms of nature. There are also applications in the IT and electronics sectors. I am sure that you will also appreciate reading the following pages of my diary which I have dedicated specifically to neuromorphic computation with regard to information technology and to evolutionary hardware with regard to electronics:

Quello della intelligenza artificiale non è l’unico campo tecnologico in cui ci si ispira ai meccanismi tipici della natura. Esistono applicazioni anche nei settori dell’informatica e dell’elettronica. Sono certo che apprezzerai la lettura anche delle seguenti pagine del mio diario che ho dedicato specificatamente al calcolo neuromorfico per quanto riguarda l’informatica ed all’hardware evolutivo per quanto riguarda l’elettronica:

Bio-inspired computer science: the Neuromorphing Computing

{Informatica ispirata alla natura: il Calcolo Neuromorfico}

(IT.5.1)

The evolvable hardware

{L'hardware evolutivo}

(EL.3)

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7. Sources, References and insight.

Fonti, riferimenti ed approfondimenti.

Listed below are many references to sources I have consulted during the writing of this article and I suggest you use them to go deeper into the topics covered within.

In seguito ho riportato alcuni riferimenti alle fonti che ho consultato durante la redazione di questo articolo e che ti suggerisco di utilizzare per approfondire gli argomenti che ho trattato al suo interno.

[ 1 ] AI basata sul deep learning: da HPE nuovi servizi su misura

[ 2 ] Apprendimento profondo, Wikipedia

[ 3 ] Apprendimento profondo, Paolo Medici - Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione di Parma

[ 4 ] Il deep learning è il figlio prediletto dell’intelligenza artificiale

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8. More generally.

Più in generale.

In this article we talked about Artificial Life, that is the methods of Artificial Intelligence that are inspired by the principles of Life, and which, in particular, represent an example of application of the heuristic approach for the resolution of complex problems.

But if you want to examine the heuristic approach from a more general point of view, then allow me to suggest the following article that I have specifically dedicated to it.

In questo articolo abbiamo parlato di della Vita Artificiale (Artificial Life in lingua Inglese), ossia dei metodi di Intelligenza Artificiale che si ispirano ai principi della Vita, e che, in particolare rappresentano, un esempio di applicazione dell'approccio euristico per la risoluzione di problemi complessi.

Ma se vuoi esaminare l’approccio euristico da un punto di vista più generale, allora permettimi di suggerirti il seguente articolo che ho appositamente dedicato a questo proposito.

The Heuristic approach and meta-Heuristic techniques for solving complex problems

{L'approccio Euristico e le tecniche meta-Euristiche per la risoluzione dei problemi complessi}

(AI.1.3)

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9. Stay up to date

{Rimani aggiornato}

If you are interested in the topics covered in the current article and want to be informed about my most recent updates dealing with them, then I invite you to register:

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"Artificial Intelligence by Tateo's Interdisciplinary Lifelong Learning" (>)

and at the Pinterest dashboard

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which I dedicated specifically for sharing the most recent changes made to the corresponding thematic area of TILLL~Learning (>).

{Se sei interessato agli argomenti trattati nell'articolo corrente e vuoi essere informato sui miei aggiornamenti più recenti che trattano di essi, allora ti invito a registrarti:

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che ho dedicato appositamente per la condivisione delle modifiche più recenti apportate all'area tematica corrispondente di TILLL~Learning (>)}

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10. Let's keep in touch

{Teniamoci in contatto}

I hope you enjoyed this article, belonging to the Learning (>) section of the Tateo's Interdisciplinary Lifelong Learning (TILLL) project (>), and that the notes and observations I gathered within it meets your interests.

If you want stay tuned with the TILLL project evolution, then I invite you to follow the next upgrades that are published on the TILLL's Blog and on the social media pages dedicated to the TILLL community.

{Spero che questo articolo, appartenente alla sezione Learning (>) del progetto Tateo's Interdisciplinary Lifelong Learning (TILLL) (>), ti sia piaciuto e che le note e le osservazioni che ho raccolto al suo interno soddisfino i tuoi interessi.

Se vuoi rimanere aggiornato sull'evoluzione del progetto TILLL, allora ti invito a seguire i prossimi aggiornamenti che vengono pubblicati sul Blog di TILLL e sulle pagine social dedicate alla community TILLL}

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11. Something about me, the founder and author of Tateo~Blog Project

{Qualcosa su di me, il fondatore e sull'autore del progetto Tateo~Blog}

First of all, thank you for visiting one of the pages of my blog. My name is Giovanni Battista Tateo (shortly Bat) and I am the founder and author of a project of Interdisciplinary Lifelong Learning of which the Tateo~Blog (:::) blog is the means of sharing. I was initially an Information Technology expert, and later I became an electronic engineer, specializing in industrial Automation. I'm passionate about Artificial intelligence, Virtual Reality, Simulation, and I'm an expert in Artificial Vision applied to industrial Automation. Currently, and starting four years ago, I am employed as a Proposal Engineer at Mer Mec S.p.A. (:::) company. Previously, starting in 2004, I was employed, always at the same company, as a Designer of Artificial Vision Systems and Image Processing Algorithms, applied in particular to Railway Diagnostics. I am a supporter and promoter of Lifelong Learning, Social Networking and Knowledge Sharing by means of the web. If you want more details about me, visit the About Me (:::) page.

{Innanzitutto ti ringrazio per aver visitato una delle pagine del mio blog. Mi chiamo Giovanni Battista Tateo (brevemente Bat) e sono il fondatore e l'autore di un progetto Lifelong Learning Interdisciplinare di cui il blog Tateo~Blog (:::) ne è il mezzo di condivisione. Sono stato in principio un esperto di Informatica, e in seguito sono diventato un Ingegnere Elettronico, specializzato in Automazione Industriale. Sono un appassionato di Intelligenza Artificiale, Realtà Virtuale, Simulazione, e sono un esperto di Visione Artificiale applicata all'Automazione Industriale. Attualmente, ed a partire dall'anno 2016, sono impiegato come Proposal Engineer presso la società Mer Mec S.p.A. (:::). Precedentemente, a partire dal 2004, sono stato impiegato, sempre presso la stessa società, come Progettista di Sistemi di Visione Artificiale e di Algoritmi di Elaborazione delle Immagini, applicati in particolare alla Diagnostica Ferroviaria. Sono un sostenitore e promotore dell'apprendimento permanente, dei social network e della condivisione delle conoscenze tramite il web. Se vuoi ulteriori dettagli su di me, visita la pagine About Me (:::)}

References to contact me. Following you can find my personal references that you can use if you want to contact me directly, and the links to my social accounts that you can use to follow me or to keep in touch with me by means of social media networks.

{Riferimenti per contattarmi. In seguito puoi trovare i miei riferimenti personali che puoi utilizzare se vuoi contattarmi personalmente, ed i collegamenti ai miei account social che puoi utilizzare per seguirmi e rimanere in contatto con me tramite le reti di social media}

Eng. Tateo Giovanni Battista

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