Design Principles of Autonomous Agents Seminar „Natürliche und künstliche Intelligenz“ ETH Zürich/Universität Zürich 14.12.2000 Jean-Luc Besson & Daniel Mettler

Inhaltsübersicht Einführung Definitionen Design Principles Spezielle Aspekte der Design Principles Schlüsse und Ausblick Quellen WWW, Download, Kontakt Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 2

Einführung NEC R100 Personal Robot 2 Kameras 3 Mikrophone Berührungssensoren 6 Umgebungssensoren Lichtsensor Temperaturmesser Gesichtserkennung E-mails abrufen und vorlesen Video-Nachrichten aufnehmen und abschicken Fernseher ein-/ausschalten Bewachung der Zimmer Spricht 300, versteht 100 Wörter Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 3

Zweck von autonomen Agenten Einführung Zweck von autonomen Agenten Agenten für gefährliche oder schädliche Umgebungen z.B. Minen aufspüren, Kanalisation reinigen, Giftmüllhalden reinigen Dienstleistungs-Agenten z.B. autonome Rollstühle, Altenpflege Agenten für die Unterhaltung z.B. Spielzeuge, elektronische Haustiere Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 4

Definition „Agent“ Agent: griechisch „agens“ = handelnd Definitionen Definition „Agent“ Agent: griechisch „agens“ = handelnd „Jeder im Auftrag oder Interesse eines Anderen Tätige“ [Meyers] “An agent ist anything, that can be viewed as perceiving its environment through sensors and action upon that environment through effectors“ [Russel & Norvig, 1995] Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 5

Definitionen Definition „Autonom“ Autonom: griechisch „autos“ = selbst „nomos“ = Gesetz ”Autonomous agents can operate without an immediate intervention of humans and have some kind of control over their internal state.” [Knapik & Johnson, 1998] Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 6

Definitionen Definition „Design“ “Design may be formally defined as the creation of synthesized solution in the form of products, processes or systems that satisfy the perceived needs through the mapping between the functional requirements in the functional domain and the design parameters in the physical domain, through the proper selection of the design parameters that satisfy the functional requirements“ [Suh, 1990] Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 7

Klassifikationen von Agenten Definitionen Klassifikationen von Agenten artificial life agents autonomous agents biological agents research agents industrial agents simulated agents software agents robotic agents computational agents Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 8

Design Principles - Übersicht 1 metaprinciple – constituents of the design process (DP 1) DP 2: Complete agent DP 3: Parallel, loosely coupled processes DP 4: Sensory-motor coordination DP 5: Cheap designs DP 6: Redundancy DP 7: Ecological balance DP 8: Value 7 agent design principles – morphology, architecture, mechanism (DP 2-8) Ecological niche Desired behaviours/tasks Design of the agent DP 1 Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 9

Design Principle 1 Metaprinzip: Definition der ökologischen Nische Design Principles 1 Design Principle 1 2 3 4 5 6 7 8 Metaprinzip: Definition der ökologischen Nische Definition der gewünschten Aufgaben und Verhaltensweisen Design des Agenten Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 10

Three constituents Design Principles Ökologische Nische Aufgaben/ 1 Three constituents 2 3 4 5 6 7 8 Ökologische Nische Aufgaben/ Verhaltensweisen Agentendesign Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 11

Ökologische Nische Design des Agenten hängt davon ab [2] Design Principles 1 Ökologische Nische 2 3 4 5 6 7 8 Keine Universalität in der realen Welt Welche Nische ist für die Fragestellung relevant? [1] Klar definierte Nische wichtig weil: Design des Agenten hängt davon ab [2] Beschränkung auf Nische explizit Erlaubt billiges Design des Agenten [3] Beispiele: [1] Sahabot [2] Garbage Collector [3] Polly Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 12

Aufgaben und Verhaltensweisen Design Principles 1 Aufgaben und Verhaltensweisen 2 3 4 5 6 7 8 Unterscheide Aufgabe und Verhaltensweise Definition der Aufgabe ist unabhängig vom Agenten Aufgabe nicht explizit im Agenten repräsentiert Beispiel: Reynolds‘ boids Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 13

Design des Agenten Aufbau des Agenten selbst: Aufgesplittet in DP 2-8 Design Principles 1 Design des Agenten 2 3 4 5 6 7 8 Aufbau des Agenten selbst: Morphologie (Sensoren, Effektoren) Kontrollarchitektur (interner Mechanismus) Aufgesplittet in DP 2-8 Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 14

Design Principle 2 The complete-agent principle Design Principles 1 Design Principle 2 2 3 4 5 6 7 8 The complete-agent principle Intelligente Agenten sind vollständig (complete): Autonom (autonomous) Selbstgenügsam/autark (self-sufficient) Verkörpert (embodied) Situiert (situated) Theoretisches Beispiel: „Fungus eater“ Praktische Beispiele: Mars Sojourner, SlugBot, Chew Chew Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 15

SlugBot, Sojourner SlugBot Fermentor Mars Pathfinder „Sojourner“ Design Principles 1 SlugBot, Sojourner 2 3 4 5 6 7 8 SlugBot Fermentor Mars Pathfinder „Sojourner“ Solarzellen Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 16

Chew Chew Microbial Fuel Cell (MFC) → Zucker Design Principles 1 Chew Chew 2 3 4 5 6 7 Verdauung 8 Microbial Fuel Cell (MFC) → Zucker Mund Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 17

Design Principles 1 Design Principle 3 2 3 4 5 6 7 8 The principle of parallel, loosely coupled processes Intelligenz ← Agent-Umgebungs-Interaktion ← viele parallele, lose gekoppelte Prozesse (angeschlossen an sensor-motorischen Apparat) Praktisch keine hierarchische Kontrolle nötig Kontrollarchitektur basiert auf geschichteten Prozessen Im Agenten: kompetitive und kooperative Mechanismen Von Umgebung: kontextsensitive senso-motorische Stimulation der Mechanismen und dadurch Koordination Folge: Emergentes Verhalten möglich Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 18

Design Principle 4 The principle of sensory-motor coordination (SMC) Design Principles 1 Design Principle 4 2 3 4 5 6 7 8 The principle of sensory-motor coordination (SMC) Intelligentes Verhalten ist senso-motorische Koordination Paradigmenwechsel: Informationsverarbeitung (classical AI) → SMC (new AI) Via SMC wird der „Input“ strukturiert Kategorisierung basierend auf SMC ist „grounded“ Beispiel: Kleinkind Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 19

Design Principle 5 The principle of cheap design Design Principles 1 Design Principle 5 2 3 4 5 6 7 8 The principle of cheap design Gute Designs sind „billig“: Ausnützen der Physik der System-Umwelt-Interaktion [1] Ausnützen der Eigenheiten der ökologischen Nische [2] Sparsames Design [3] Beispiele: [1] Insect walking, [2] Polly, [3] Cricket phonotaxis Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 20

Design Principle 6 The redundancy principle Design Principles 1 Design Principle 6 2 3 4 5 6 7 8 The redundancy principle Redundanz muss im Agenten vorhanden sein: Redundante Sensoranordnung Überlappung der sensorischen Informationen Zwei Aspekte: Robustheit Diversität, Emergenz Beispiel: Samurai Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 21

Design Principle 7 The principle of ecological balance                                               Design Principles 1 Design Principle 7 2 3 4 5 6 7 8 The principle of ecological balance Komplexität des Agenten muss zur ökologischen Nische und dem gewünschten Verhalten passen [1] [1] Beispiel: Cog Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 22

Design Principle 8 The value principle Agent hat: Wertesystem Design Principles 1 Design Principle 8 2 3 4 5 6 7 8 The value principle Agent hat: Wertesystem Mechanismen zum selbstüberwachten, kontinuierlichen Lernen Selbst-Organisation Wertesyteme [1]: explizit Implizit [1] Beispiel: Garbage collecting robot Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 23

Bottom-up vs. Top-down Top-down Bottom-up Analytisch Synthetisch = Spezielle Aspekte der Design Principles Bottom-up vs. Top-down Top-down Bottom-up Analytisch Synthetisch = Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 24

Time perspectives for explanations Spezielle Aspekte der Design Principles Time perspectives for explanations short-term perspective Verhalten aufgrund des momentanen inneren Zustands ontogenetic perspective Vorkommnisse aus der Vergangenheit phylogenetic perspective Evolution Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 25

Konvergenz Philosophie - NAI Spezielle Aspekte der Design Principles Konvergenz Philosophie - NAI Viele Design Principles sind in der Philosophie schon lange verankert Beispiele für Redundanz/Vielfalt/Kreativität: Aufbewahrung von Wein in Holzfässern Schreiben auch nach dem Verlust der Hände Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 26

Zusammenhänge der Design Principles Spezielle Aspekte der Design Principles Zusammenhänge der Design Principles complete agent sensory-motor- coordination redundancy prallel processing value cheap design ecological balance Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 27

Spezielle Aspekte der Design Principles II Reproduktion/Evolution? Time-perspective: short-term-, ontogenetic perspective Pragmatischer Charakter der Design Principles Inaktivität („Schlaf“)? → abstraktes Verständnis Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 28

Schlüsse und Ausblick Pragmatischer Charakter der Design Principles „The design principles provide a conceptual framework, a first step toward a theory of intelligence. Because we are still at the beginning, it is not so much a matter of whether these principles are right or wrong: Rather, they point to the core issues that need to be researched in this field.“, Understanding Intelligence, S. 299 Erst der Anfang einer Entwicklung Zukunft offen Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 29

Quellen Quellen R. Pfeifer, Ch. Scheier, Understanding Intelligence, MIT Press, 1999 Fujita Yoshihiro, NEC Laboratories, Japan http://www.incx.nec.co.jp/robot/ UNIZH AI Lab, http://www.ifi.unizh.ch/ailab MIT AI Lab, http://www.ai.mit.edu/ Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 30

WWW, Download, Kontakt http://www.icu.unizh.ch/~mettlerd/dpoaa/ Jean-Luc Besson, jbesson@mvision.ch Daniel Mettler, mettlerd@icu.unizh.ch Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000 Design Principles of Autonomous Agents, Seite 31