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Espreitar para dentro da caixa negra da Inteligência Artificial

Diversos modelos matemáticos têm sido propostos para lidar com esta questão, mas segundo Gonzalo de Polavieja, que lidera o laboratório de Comportamento Coletivo no Centro Champalimaud, em Lisboa, Portugal, os modelos caíam inevitavelmente num de dois extremos: ou eram muito simples, ou muito complexos.

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Durante décadas, os especialistas que procuram explicar a emergência de comportamentos de grupo complexos, tais como como a formação de cardumes de peixes, têm-se dividido em dois campos de investigação. Agora, graças a um inédito modelo de inteligência artificial que estabelece uma ponte entre os dois pontos de vista, esta divisão poderá ter os dias contados.

Como é possível que surja, nos grupos de peixes, a formação de cardumes com padrões de organização tão intricadamente complexos? Para muitos cientistas, esta questão constitui um enigma matemático irresistível, envolvendo uma quantidade substancial de variáveis que descrevem a velocidade relativa e a posição de cada peixe e dos seus inúmeros vizinhos.

Diversos modelos matemáticos têm sido propostos para lidar com esta questão, mas segundo Gonzalo de Polavieja, que lidera o laboratório de Comportamento Coletivo no Centro Champalimaud, em Lisboa, Portugal, os modelos caíam inevitavelmente num de dois extremos: ou eram muito simples, ou muito complexos.

“Os avanços da inteligência artificial (IA) e da aprendizagem automática têm permitido elaborar modelos muito precisos em termos da previsão do comportamento dos indivíduos dentro de um grupo”, diz de Polavieja. “Porém, estes modelos são como caixas negras: a maneira como processam os dados para gerar as suas previsões pode chegar a incluir milhares de parâmetros, muitos dos quais talvez nem correspondam a variáveis do mundo real. Nós humanos somos incapazes de descobrir o sentido que se esconde nesta informação tão complexa.”

“No outro extremo”, prossegue, “temos modelos mais simples, com poucos parâmetros, que nos permitem identificar regras associadas a um componente principal, tal como a distância entre os peixes ou a sua velocidade relativa. Mas estes modelos são demasiado limitados quando se trata de prever o comportamento global do grupo.”

Inspirando-se num novo tipo de modelo de IA chamado “rede de atenção”, Polavieja e a sua equipa conseguiram identificar uma solução intermédia: um modelo que ao mesmo tempo dá pistas para perceber o que se passa e é capaz de fazer previsões. Os investigadores descrevem os seus resultados num artigo publicado na revista Plos Computational Biology .

Desconstruir a caixa negra
Para resolver o problema, a equipa decidiu utilizar técnicas de IA ligeiramente modificadas, onde, em vez de construir a “caixa negra” intacta do costume, organizaram o modelo num grande número de módulos interligados, cada um dos quais simples o suficiente para poder ser analisado (por humanos).

Quando os cientistas estudaram as funções geradas por cada módulo, descobriram que as regras toscas que já conheciam ainda eram válidas, mas que estas tinham ficado agora muito mais apuradas. “Por exemplo, segundo os modelos anteriores, o espaço à volta de cada peixe está dividido em três áreas circulares concêntricas: a da repulsão, a do alinhamento e a da atração. Desta vez, também encontrámos as mesmas áreas, mas ao contrário dos modelos simples que tinham inicialmente permitido identificá-las, o nosso modelo mostra que essas áreas não são circulares nem concêntricas, e que se alteram conforme a velocidade do peixe”, explica Francisco Heras, o primeiro autor do estudo.

Para além das pistas que permite obter, o modelo também é bom a prever o comportamento dos peixes. “Podemos prever com 90% de precisão se um dado peixe vai virar para a direita ou para a esquerda no segundo que se segue”, diz Heras. “Isto pode não parecer um tempo muito longo à escala dos movimentos humanos, mas os peixes-zebra vivem num ambiente onde tudo anda mais depressa – e podem cobrir uma distância equivalente a cerca de oito vezes o comprimento do seu corpo em apenas um segundo.”

Os resultados do modelo são extremamente robustos, o que permite perguntar porque é que esta abordagem não foi utilizada mais cedo. Segundo de Polavieja, a resposta tem “um pouco de sociologia e um pouco de matemática”. Como explica este investigador, “uma vez que ambas as abordagens que dominavam a especialidade eram tão diferentes uma da outra, demorou algum tempo até se perceber que a construção de um modelo ao mesmo tempo informativo e bom na previsão fosse sequer possível.” Mas mal a equipa se apercebeu desta possibilidade, começou a explorar diferentes arquiteturas e a afinar o seu conjunto de hipóteses de base de forma a otimizar a capacidade de previsão do modelo e ao mesmo tempo mantê-lo suficientemente simples para ele ser informativo e fornecer pistas sobre a biologia do comportamento coletivo em causa.

Um outro elemento que possibilitou este avanço foi o sofisticado software de código-fonte aberto que o laboratório desenvolveu recentemente e que permite seguir o movimento de cada peixe individual num grupo. “Utilizando o idtracker.ai, fomos capazes de seguir em simultâneo cada peixe de um grupo de 100. Isto foi crucial para obter o grande conjunto de dados que são precisos neste tipo de pesquisas.”

A equipa já tornou o código-fonte do seu novo modelo gratuitamente disponível online. Segundo de Polavieja, este poderá representar uma ferramenta útil para a comunidade científica que se dedica ao estudo dos comportamentos coletivos, e que dispõe agora de uma maneira de recuperar as regras de interação de forma automática, de fazer previsões de qualidade e de obter pistas do ponto de vista biológico. “Esperamos que o nosso modelo seja utilizado por outros para estudarem os mais diversos tipos de interações sociais”, conclui.

Centro Champalimaud
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Ciência

«O ambiente precário generalizado e a falta de oportunidades afastam muitos jovens brilhantes de Portugal»

Desde que concluí a minha licenciatura em 2000 pouco tempo passei em Portugal, tendo trabalhado na Alemanha, Cabo Verde, Arábia Saudita, Reino Unido, e estando actualmente em Macau. Embarcar numa carreira de investigação académica nos dias de hoje pressupõe um certo espírito de aventura e disponibilidade para ir atrás das oportunidades onde quer que elas estejam.

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André Antunes

Pode descrever de forma sucinta (para nós, leigos) o que faz profissionalmente?

Sou Professor Associado no primeiro Laboratório de Referência Estatal Chinês para as Ciências Lunares e Planetárias, recentemente criado na Universidade de Ciência e Tecnologia de Macau. Faço investigação na área de Microbiologia de ambientes extremos e sou responsável pela implementação do primeiro laboratório de Astrobiologia na China.

Agora pedimos-lhe que tente contagiar-nos: o que há de particularmente entusiasmante na sua área de trabalho?

Trabalhar nesta área é verdadeiramente apaixonante! Tenho tido a oportunidade de participar e liderar várias expedições científicas e de visitar alguns dos ambientes mais extremos conhecidos à face da Terra (desde complexos de minas em Inglaterra, fossas abissais salinas no fundo do Mar Vermelho, ou salinas abandonadas em Cabo Verde). Alguns dos ambientes com que trabalho são tão inóspitos que foram considerados estéreis até há pouco tempo. A oportunidade de descobrir novos grupos de micróbios completamente desconhecidos e de descortinar quais as suas características, modos de adaptação e sobrevivência a condições tão extremas, ou possíveis aplicações biotecnológicas, é muito gratificante. Ser a primeira pessoa no mundo a estudar a microbiologia de um local extremo, depois de várias semanas no mar, ou observar um micróbio nunca antes visto são experiências únicas.

A exploração destes ambientes permite-me contribuir para a redefinição dos limites da Vida. Por outro lado, as semelhanças destes locais com as condições presentes em Marte, ou mesmo nos oceanos de Europa ou Encélado, permitem-me estar ligado ao sector da exploração espacial e contribuir para futuras missões que procurem sinais de vida nestes locais. De um ponto de vista mais filosófico, a minha área de investigação permite encontrar informações vitais para responder à pergunta mais importante que a Humanidade já se perguntou: “Será que estamos sós no Universo?”

Por que motivos decidiu fazer períodos de investigação no estrangeiro e o que encontrou de inesperado nessa realidade académica?

Desde que concluí a minha licenciatura em 2000 pouco tempo passei em Portugal, tendo trabalhado na Alemanha, Cabo Verde, Arábia Saudita, Reino Unido, e estando actualmente em Macau. Embarcar numa carreira de investigação académica nos dias de hoje pressupõe um certo espírito de aventura e disponibilidade para ir atrás das oportunidades onde quer que elas estejam. A verdade é que optar pelo estrangeiro abriu-me um leque de desafios e oportunidades a que não tinha acesso Portugal.

As experiências que tive no estrangeiro têm sido bastante diversas, mas uma das maiores surpresas foi o excelente nível de preparação com que saí da Universidade de Coimbra. Uma diferença completamente inesperada foi o grande nível de proximidade entre professores e alunos que encontrei no estrangeiro e uma maior agilidade das instituições para promover e fazer uso de redes de antigos alunos.

Que apreciação faz do panorama científico português, tanto na sua área como de uma forma mais geral?

A meu ver, a ciência em Portugal precisa de grandes mudanças. As políticas das últimas décadas apoiaram a formação de uma grande quantidade de novos investigadores, mas não criaram condições para os acolher. O ambiente precário generalizado e a falta de oportunidades afastam muitos jovens brilhantes de Portugal e as universidades portuguesas perdem competitividade e envelhecem a olhos vistos. A falta de renovação nas universidades Portuguesas é preocupante, visto que impede a transferência de saber entre gerações e a continuidade de linhas de investigação (que muitas vezes se perdem para sempre) quando se reforma um professor.

É verdade que a falta de financiamento crónico, e irregularidade dos concursos de financiamento causam danos, como apontado regularmente por várias instituições e investigadores. Mas igualmente críticas são a notória falta de cultura de cooperação interna e falta de transparência. Infelizmente, todos conhecemos casos dúbios de colocações e progressões de carreira desligadas do mérito dos candidatos que se perpetuam sem causar grande incómodo a nível institucional.

Que ferramentas do GPS lhe parecem particularmente interessantes, e porquê?

Considero o GPS uma excelente iniciativa! Acho que está a cobrir uma lacuna importante ao promover a formações de redes globais de investigadores portugueses, apesar de necessitar de aumentar a sua visibilidade. Creio que uma eventual extensão do conceito para todos os investigadores lusófonos poderia ser uma boa ideia para o futuro desta plataforma.

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GPS / Fundação Francisco Manuel dos Santos

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Geologia

Geopark Terras de Cavaleiros vai integrar programa de Orientação e Intercâmbio de Conhecimento da UNESCO

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O Geopark Terras de Cavaleiros, no Município de Macedo de Cavaleiros, foi selecionado para integrar o Programa Global de Orientação e Intercâmbio de Conhecimento de Geoparques da UNESCO. Este é um novo projeto de mentoria que procura ajudar os parques que se candidataram a geoparques da UNESCO a cumprirem os requisitos e a concluírem o processo de inscrição.

O Geopark Terras de Cavaleiros foi um dos selecionados para integrar este programa pioneiro da UNESCO e vai receber dois representantes do Parque Nacional Los Nevados e do Geopark Aspirante Vulcânico El Ruiz (ambos da Colômbia), que permanecerão em Macedo de Cavaleiros entre 8 e 24 de novembro e receberão a oportunidade de aprenderem a gerir um geoparque, bem como a oportunidade de participarem nas atividades aos níveis da Geoconservação, Geoeducação e Geoturismo.

Benjamim Rodrigues, presidente da Câmara de Macedo de Cavaleiros e da Associação Geoparque Terras de Cavaleiros, explica que “é uma honra muito grande para nós sermos escolhidos como um dos geoparques mentores que irá ajudar os parques aspirantes”. “É um claro sinal de que o trabalho que estamos a desenvolver está a ser bem feito e que pode ser útil para os parques aspirantes que pretendem entrar na rede global da UNESCO”, salienta.

O Programa Internacional de Geociências e Geoparques da UNESCO (IGGP) tem como principal missão estreitar o apoio e dar visibilidade ao desenvolvimento de projetos de ciência e de divulgação na área das Ciências da Terra. Enquanto promotores do Programa Global de Orientação e Intercâmbio de Conhecimento de Geoparques da UNESCO, o IGGP selecionou nove geoparques integrantes da Rede Global e dez aspirantes.

Os Geoparques Globais da UNESCO são áreas geográficas unificadas e únicas, onde locais e paisagens de importância geológica internacional são geridos com um conceito holístico de geoconservação, proteção ambiental, educação e desenvolvimento sustentável. A sua abordagem deverá ser de baixo para cima, conciliando conservação e desenvolvimento sustentável, envolvendo sempre as comunidades locais. Atualmente existem 147 geoparques globais da UNESCO em 41 países.

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Ciência

Novas descobertas sobre técnica de estimulação elétrica do cérebro

O estudo contou com a participação de 14 pessoas que tiveram o seu córtex motor estimulado. Quando a corrente elétrica passa nesta região do cérebro há um efeito involuntário nos músculos das suas mãos. Para perceber melhor o efeito, os investigadores utilizaram um dispositivo não-invasivo que gera campos magnéticos.

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Rita Donato

A recente técnica de estimulação cerebral não-invasiva é promissora no estudo da atividade motora. E se tivesse a capacidade de mover a mão de outra pessoa? Os cientistas são capazes de fazê-lo fazendo passar uma corrente elétrica pela cabeça. Uma investigação recente publicada na Scientific Reports of Nature Research veio clarificar alguns parâmetros de uma destas técnicas, a Estimulação Transcraniana de Ruído Aleatório – tRNS. Esta técnica tem dado frutos em particular na investigação de tarefas motoras, sensoriais e cognitivas mas o seu funcionamento ainda era pouco conhecido. Recentemente, os investigadores da Universidade de Pádua demonstraram que utilizar uma gama mais larga de frequências altas é mais eficaz que utilizar intervalos estreitos.

Desta equipa faz parte Rita Donato, que atualmente está a fazer o doutoramento no Proaction Lab na Universidade de Coimbra. “Nós decidimos testar se conseguíamos produzir um efeito tão bom ao nível motor se dividíssemos o intervalo de frequências postulado em intervalos mais pequenos”, explicou Rita Donato. A equipa então testou o intervalo tabelado dos 100Hz aos 700Hz, assim como dois sub-intervalos mais curtos.

O estudo contou com a participação de 14 pessoas que tiveram o seu córtex motor estimulado. Quando a corrente elétrica passa nesta região do cérebro há um efeito involuntário nos músculos das suas mãos. Para perceber melhor o efeito, os investigadores utilizaram um dispositivo não-invasivo que gera campos magnéticos. O movimento induzido na mão era registado e posteriormente analisaram-se os dados. “Percebemos que uma gama mais larga de frequências provocava um efeito mais pronunciado”, explicou a investigadora italiana. “Dividindo o intervalo em “sub-intervalos” não foi tão eficiente”.

A diferença do tRNS de outras técnicas de estimulação elétrica é que este tipo de corrente passa em frequências aleatórias, isto é, o cérebro não consegue “prever” a ordem em que as frequências de corrente passam. “Um exemplo para explicar este fenómeno é comparar com um fumador”, disse Rita Donato. “Quando se começa a fumar, sente-se um efeito maior do que após fumar durante vários meses. Após dois meses o efeito que se sente de um cigarro parece ser menor porque há uma habituação”.

De acordo com a aluna de doutoramento, o cérebro habitua-se às frequências de uma forma semelhante. Se este for estimulado sempre com a mesma frequência, ele adapta-se à mesma, pelo que um sistema aleatório funciona de uma forma menos previsível.

A aplicação de técnicas de estimulação semelhantes já acontece em pacientes com doenças motoras e mentais, mas é necessária mais investigação para se poder utilizar a tRNS em projetos clínicos. “As nossas descobertas trouxeram mais conhecimento e penso que, na ciência, as coisas devem ser explicadas”, comentou a investigadora. Uma vez que o estudo foi efetuado num intervalo de alta frequência, o próximo passo será estudar o intervalo de baixa frequência e comparar resultados.

De momento Rita Donato está focada no estudo de áreas do cérebro que processam a informação ao observar ferramentas e mãos. Para tal ela utiliza técnicas de neuroimagiologia e outra técnica de estimulação elétrica.

Rita Donato obteve o seu mestrado em Neurociência Cognitiva e Neuropsicologia Clínica na Universidade de Pádua. Atualmente ela é uma aluna de doutoramento a fazer um ano do mesmo no Proaction Lab (Laboratório de Percepção e Reconhecimento de Objectos e Ações) na Universidade de Coimbra. O seu projeto está focado no papel da corrente dorsal e ventral no processamento visual de objetos, utilizando imagens obtidas por ressonância magnética funcional.

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