Design Principles of Autonomous Agents Seminar Natürliche und künstliche Intelligenz ETH...

Design Principles ofAutonomous Agents

Seminar „Natürliche und künstliche Intelligenz“

ETH Zürich/Universität Zürich

14.12.2000

Jean-Luc Besson & Daniel Mettler

Jean-Luc Besson & Daniel Mettler ©2000

Design Principles of Autonomous Agents, Seite 2

Inhaltsübersicht

• Einführung• Definitionen• Design Principles• Spezielle Aspekte der Design Principles• Schlüsse und Ausblick• Quellen• WWW, Download, Kontakt

Inhalt



Einführung

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



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

Einführung



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]

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]

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]

Definitionen



Klassifikationen von Agenten

Definitionen

artificial life agents

autonomous agents

biological agents

research agents

industrial agents

simulated agents

software agents

robotic agents computational agents



Design Principles - Übersicht

• 1 metaprinciple – constituents of the design process (DP 1)

Design Principles

•Ecological niche•Desired behaviours/tasks•Design of the agent

DP 1

DP 2: Complete agentDP 3: Parallel, loosely coupled processesDP 4: Sensory-motor coordinationDP 5: Cheap designsDP 6: RedundancyDP 7: Ecological balanceDP 8: Value

• 7 agent design principles – morphology, architecture, mechanism (DP 2-8)



Design Principle 1

Metaprinzip:

• Definition der ökologischen Nische• Definition der gewünschten Aufgaben und

Verhaltensweisen• Design des Agenten

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Design Principles



Three constituents

Ökologische Nische

Aufgaben/Verhaltensweisen Agentendesign

Design Principles

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Ökologische Nische

• 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

Design Principles

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Aufgaben und Verhaltensweisen

• Unterscheide Aufgabe und Verhaltensweise• Definition der Aufgabe ist unabhängig vom Agenten• Aufgabe nicht explizit im Agenten repräsentiert

Beispiel: Reynolds‘ boids

Design Principles

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Design des Agenten

• Aufbau des Agenten selbst:– Morphologie (Sensoren, Effektoren)

– Kontrollarchitektur (interner Mechanismus)

• Aufgesplittet in DP 2-8

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Design Principles



Design Principle 2

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

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Design Principles



SlugBot, Sojourner

• SlugBot

Fermentor

• Mars Pathfinder „Sojourner“

Solarzellen

Design Principles

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Chew Chew

Microbial Fuel Cell (MFC)

→ Zucker

Design Principles

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Mund

Verdauung



Design Principle 3

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

Design Principles

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Design Principle 4

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

Design Principles

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Design Principle 5

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

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Design Principles



Design Principle 6

The redundancy principle• Redundanz muss im Agenten

vorhanden sein:– Redundante Sensoranordnung– Überlappung der sensorischen

Informationen• Zwei Aspekte:

– Robustheit– Diversität, Emergenz

Beispiel: Samurai

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Design Principles



Design Principle 7

The principle of ecological balance• Komplexität des Agenten muss zur ökologischen Nische und

dem gewünschten Verhalten passen [1]

[1] Beispiel: Cog

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Design Principles



Design Principle 8

The value principle• Agent hat:

– Wertesystem– Mechanismen zum selbstüberwachten, kontinuierlichen

Lernen– Selbst-Organisation

• Wertesyteme [1]:– explizit– Implizit

[1] Beispiel: Garbage collecting robot

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Design Principles



Bottom-up vs. Top-down

Spezielle Aspekte der Design Principles

Top-down

Bottom-up

Analytisch

Synthetisch

=

=



Time perspectives for explanations

• short-term perspective– Verhalten aufgrund des momentanen inneren Zustands

• ontogenetic perspective– Vorkommnisse aus der Vergangenheit

• phylogenetic perspective– Evolution




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




Zusammenhänge der Design Principles


complete agent

ecological balance

prallel processing value

sensory-motor-coordination

cheap design

redundancy



Spezielle Aspekte derDesign Principles II

• Reproduktion/Evolution?– Time-perspective: short-term-, ontogenetic perspective

– Pragmatischer Charakter der Design Principles

• Inaktivität („Schlaf“)? → abstraktes Verständnis




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

Schlüsse und Ausblick



Quellen

• R. Pfeifer, Ch. Scheier, Understanding Intelligence,MIT Press, 1999

• Fujita Yoshihiro, NEC Laboratories, Japanhttp://www.incx.nec.co.jp/robot/

• UNIZH AI Lab, http://www.ifi.unizh.ch/ailab• MIT AI Lab, http://www.ai.mit.edu/

Quellen



WWW, Download, Kontakt

http://www.icu.unizh.ch/~mettlerd/dpoaa/

Jean-Luc Besson, [email protected]

Daniel Mettler, [email protected]

WWW, Download, Kontakt

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