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Cooperazione di Agenti Informatici

Corso di Laurea Specialistica in “Informatica”

A.A. 2008/09

Prof. Alberto Postiglione

UD 2.1.3: Sistemi Complessi (3) –

Auto-Organizzazione

04/05/2009 Dia 2Prof Alberto Postiglione UD 2.1Cooperazione di Agenti Informatici (08/09)

Bibliografia dell’Unità Didattica

Gandolfi, A. “Formicai, imperi, cervelli, introduzione alla scienza della complessità”, Bollati Boringhieri, 1999• Capitolo 3 (Auto-organizzazione e gerarchia)

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Cooperazione di Agenti Informatici

Corso di Laurea Specialistica in “Informatica”

A.A. 2008/09

Prof. Alberto Postiglione

AUTO-ORGANIZZAZIONE


Auto-Organizzazione

Tutti i sistemi complessi condividono alcuni comportamenti comuni.• Questi comportamenti non possono essere spiegati

analizzando le singole componenti di un sistema (“smontare l’orologio per vedere come funziona” – Crichton)

• Perché tali comportamenti derivano in modo spontaneo dalle interazioni delle componenti

Tali comportamenti non sono pianificati, ma si verificano e basta.

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Auto-Organizzazione

Le singole parti che compongono un Sistema Complesso sono semplici, ma interagendo tra di lorodanno luogo a un comportamento complesso

I sistemi complessi: hanno scambi con l’ambiente esternoadattandosi ad esso mediante l’auto-organizzazione.

Le parti che compongono un sistema complesso non sono organizzate dall’esterno, ma si auto-organizzano• Questi sistemi hanno cioè le proprietà di sviluppare strutture

ordinate da situazioni localmente caotiche. • Comparsa spontanea di ordine e gerarchia, di strutture e di

nuove forme di comportamento


Auto-Organizzazione

Un Sistema Complesso non è quindi un semplice insieme di elementi sconnessi, ma …

… i suoi elementi sono organizzati in strutture, quasi sempre di tipo gerarchico.

Gli elementi sono organizzati in sottosistemi, i quali a loro volta compongono sistemi più complessi, e così via. • Per esempio: il corpo umano e' composto da sistemi

(cardiovascolare, linfatico, ecc.) ciascun sistema e' composto da organi, ciascun organo e' formato da tessuti, i quali sono formati da cellule, le quali sono formate da molecole, a loro volta formate da atomi. E gli atomi sono formati da particelle elementari.

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Auto-Organizzazione

Il concetto di auto-organizzazione risale ai primi anni ’60 (Ashby e von Foerster).

Il premio Nobel Ilya Prigogine, nel 1984, fu il primo a definire approfonditamente le modalità e le condizioni in cui si sviluppano i comportamenti auto-organizzanti.

In tutti questi sistemi, • interazioni locali

• di molti singoli elementi

• guidati da poche e semplici regole

danno luogo a comportamenti globali strutturati


Auto-Organizzazione

E' importante notare che l'auto-organizzazione si manifesta non soltanto nei sistemi costituiti da esseri viventi, ma anche in una serie di sistemi fisici e chimici. Alcuni esempi sono • le transizioni di fase (i.e. da liquido a solido, dove il sistema

acquisisce improvvisamente e spontaneamente struttura e complessità),

• gli effetti di magnetismo (allineamento dei micromagneti),

• gli effetti di conducibilità elettrica (superconduttori).

Altri esempi:• Evoluzioni di uno stormo di uccelli

• Sincronismo degli applausi

• Comparsa spontanea della Cooperazione

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Auto-Organizzazione

La principale conclusione degli studi di Prigogine è che l'auto-organizzazione si manifesta principalmente in sistemi • dissipativi (quindi attraversati da un flusso di energia) lontani

dall'equilibrio.

• che si trovano sul bordo del caos (Edge of Chaos), una regione intermedia tra ordine e caos: l’ordine infatti cristallizza il sistema e il caos rende impossibile qualsiasi organizzazione (spontanea o meno).


Auto-Organizzazione e Gerarchia

Una proprietà dei meccanismi di auto-organizzazione è che tendono a creare strutture su più livelli gerarchici.

Normalmente, per ciascuno di questi livelli bisogna escogitare – almeno in una certa misura – un diverso metodo d'indagine.

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Perché la gerarchia emerge come struttura organizzativa degli elementi di un sistema complesso?• Perché i numerosi elementi di un Sistema Complesso devono

interagire in modo coordinato e armonioso

L’anarchia non permetterebbe la gestione coordinata di un Sistema Complesso (ogni elemento farebbe solo ciò che vuole)• Un esercito in cui ogni soldato agisce come gli pare

• Le cellule del nostro organismo che agiscono in modo non coordinato

• Muratori che mettono i mattoni ognuno dove gli pare



Consideriamo, ad esempio, gli atomi che costituiscono il nostro corpo. • Essi si organizzano in macromolecole; • le macromolecole si organizzano in cellule; • le cellule si organizzano in vari tessuti; • i tessuti danno luogo agli organi; • infine si arriva all'intero corpo umano.

I diversi livelli interagiscono tra loro; ma in una prima approssimazione possono considerarsi come separati ed essere ciascuno studiato e trattato per suo conto. Faremmo ben pochi progressi se per esaminare un qualsiasi organismo vivente dovessimo analizzare ogni suo atomo:

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Quali sono i principi su cui si basa la gerarchia derivante dall’auto-organizzazione?• Asservimento

• Principio della scatola nera

• Semplicità delle regole comportamentali degli elementi

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Gerarchia: Asservimento o Subordinazione

Gli elementi di un livello gerarchico inferiore (detti elementi microscopici), una volta organizzati in un sistema, vengono asserviti al livello superiore, cioè al comportamento globale del sistema.• Si riduce così la libertà teorica di cui godono gli elementi di un

sistema.

Salendo da un gradino al successivo di una struttura gerarchica, le possibilità creative e combinatorie aumentano esponenzialmente.



Ad esempio, nel caso della vita nell’Universo:• Gli atomi diversi presenti nell’Universo sono un centinaio

• Al livello superiore, gli atomi si possono combinare in tantissimi modi, per cui nel regno biologico si contano centinaia di migliaia di molecole.

• Le molecole possono poi combinarsi in tantissimi modi, dando vita a un’infinità virtuale di cellule.

• Da tanta disponibilità di forme, l’evoluzione ne seleziona solo pochissime, quelle più adatte a sopravvivere.• Il corpo umano è costituito solo su qualche centinaio di cellule

differenti, tra i milioni di miliardi di possibili cellule

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Nel caso di una lingua (ad esempio l’italiano)• Abbiamo 21 “atomi” di base, le lettere

• Che formano qualche centinaio di sillabe

• Che formano qualche centinaio di migliaia di parole

• Mentre le possibili parole costruibili su un alfabeto di 21 lettere (limitandoci alle parole lunghe al massimo 8 lettere) sono 218, cioè circa 38 Miliardi di possibili parole



Nel caso di un gruppo di persone• Abbiamo infinite libertà di comportamento, per ogni

individuo (urlare, rubare, prendere a calci il vicino, …)• Che diventano molte di meno nel caso di appartenenza ad un

gruppo sociale• I comportamenti dell’individuo sono asserviti al

comportamento emergente del livello gerarchico superiore, cioè il gruppo.

• Si noti che questo fenomeno spiega anche le dinamiche comportamentali interne ad un gruppo a cui si sottomettono i componenti dello stesso, pena l’esclusione o una “punizione”• In un gruppo di delinquenti e camorristi ci sono regole

comportamentali diverse da quelle adottate in un gruppo di persone oneste e perbene.

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Gerarchia: Principio della scatola nera

Quando si osserva un Sistema Complesso, per capirne il funzionamento non è necessario analizzare tutti i livelli gerarchici.

Una volta focalizzata l’attenzione sul livello che ci interessa, possiamo considerare i sottosistemi che lo compongono come scatole nere (Black Box), di cui non ci importano i processi né la struttura, ma solo input e output.

Trascurare le dinamiche interne dei livelli inferiori ci porta atrascurare talvolta informazioni importanti e questo non èsempre possibile, ma spesso è necessaria per motivi pratici (mancanza di tempo, di attrezzature, ecc.)


Gerarchia: Principio della scatola nera

In campo medico • spesso si curano organi o sistemi, senza entrare nel dettaglio

delle cellule o anche più in profondità)

• Alcune volte sarebbe più utile avere questo livello maggiore di conoscenza, ma spesso (quasi sempre) è sufficiente l’intervento al livello macroscopico

In campo economico, quando si deve riorganizzare un’azienda• Si procede prima ad analizzare i livelli superiori (filiali)

• Poi, a poco alla volta quelli inferiori (settori, reparti, e via via fino ai singoli componenti)

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Alcune Considerazioni

Da quanto osservato in precedenza, possiamo definire un’altra caratteristica fondamentale della complessità

In un Sistema Complesso, le relazioni fra gli elementi sono più importanti della natura degli elementi stessi.

Un livello gerarchico superiore ignora selettivamente la dinamica interna dei suoi elementi, mentre assume un ruolo dominante la dinamica globale del sistema


Alcune considerazioni

Volendo introdurre una nuova specie di animale in un ecosistema, bisogna capire quale sarà la reazione globale dell’intero sistema.• Non bisogna conoscere precisamente le caratteristiche di

ogni specie o addirittura i dettagli biochimici più profondi. Sarebbe inutile e troppo costoso (in termini di dati da raccogliere e da elaborare e di tempo)

• E’ invece necessario individuare le interazioni tra le differenti specie

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Alcune considerazioni

Questo approccio ci permette di applicare le stesse regole a sistemi complessi formati da individui molto diversi• Reti di computer• Gruppi umani• Neuroni del cervello• Ecosistemi• …

In altre parole, le leggi fondamentali della complessitàsono, con ogni probabilità, universali, e non dipendono dalle caratteristiche peculiari dei singoli sistemi presi in considerazione


Auto-Organizzazione

Fino ad ora abbiamo detto che i Sistemi Complessi tendono a organizzarsi in strutture gerarchiche e ad adottare comportamenti quali l’asservimento e la scatola nera.

Ma come fa un Sistema composto da tantissimo oggetti elementari a strutturarsi in forma gerarchica?

Chi, o cosa, dà il via al processo di gerarchizzazione?

Chi guida il processo di gerarchizzazione?

La risposta è: il sistema in modo “autonomo” si auto-organizza

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Auto-Organizzazione

Il processo di auto-organizzazione, che pur esiste, è ancora avvolto da un alone di mistero.

L’auto-organizzazione avviene, possiamo descrivere cosa succede nel sistema, ma non conosciamo i meccanismi che stabiliscono• perché

• come

• quando

un sistema si auto-organizza.


Auto-Organizzazione

Auto-organizzazione e strutture gerarchiche sono strettamente correlate.

Il risultato dell’auto-organizzazione è spesso un nuovo livello gerarchico del sistema.• I neuroni si auto-organizzano per formare il cervello

• Innumerevoli specie animali e vegetali si auto-organizzano per formare ecosistemi

• Operai si auto-organizzano in gruppi di lavoro per la gestione efficiente del lavoro

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Auto-Organizzazione

A un determinato livello gerarchico, ogni elemento del sistema agisce spinto da regole “autonome”. Il sistema èslegato, libero.

Nel corso dell’evoluzione del sistema però, • le interazioni fra gli elementi assumono importanza

sempre crescente. Esse si articolano e si strutturano• Aumentano le regole di comportamento.• Il sistema diventa sempre più complesso.

L’auto-organizzazione interviene quando il sistema supera una soglia critica di complessità.• Improvvisamente si formano delle strutture che organizzano

in modo coordinato e armonico molti elementi del sistema.


Auto-Organizzazione

Non è ancora stato trovato il perché definitivo del fenomeno dell’auto-organizzazione.

L’auto-organizzazione è l’emergenza spontanea di un comportamento coordinato, cooperativo e collettivo in una popolazione di elementi.• Quando un sistema si auto-organizza, emergono delle

strutture e delle proprietà globali, inesistenti in precedenza.

• Queste proprietà diventano dominanti per il comportamento globale del sistema: i singoli elementi vengono asserviti alla nuova struttura emergente.

• Nasce così un nuovo livello gerarchico.

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Auto-Organizzazione

Queste caratteristiche globali non possono essere comprese a partire dal comportamento dei suoi elementi.

Questo perché nel nuovo livello gerarchico l’aspetto cruciale per il comportamento del sistema• non è nella natura dei singoli elementi

• bensì nella relazione tra di essi, ovvero dipende dal tipo di cooperazione che nasce tra gli elementi.


Auto-Organizzazione

Il processo di auto-organizzazione permette al sistema complesso di passare • da una miriade di comportamenti individuali caotici e

scoordinati

• a un comportamento globale e ordinato

Con la creazione del nuovo livello gerarchico, il sistema diventa, improvvisamente, più semplice.

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Auto-Organizzazione

Ovviamente gli elementi devono adottare la disciplina del sistema che • da un alto limita la libertà di comportamento

• dall’altro permette l’emergere di nuove proprietà globali

Il nuovo livello gerarchico comincia subito un’evoluzione• che porterà il sistema a livelli di complessità sempre maggiori,

fino a che non si raggiunge nuovamente una soglia critica e non si innesca un nuovo processo di auto-organizzazione.

• Il processo si ripete all’infinito, tra un’alternarsi di complessificazione e di semplificazione


Auto-Organizzazione

Esempi• Evoluzione della specie umana: dai primi ominidi alle città

• Evoluzione della specie umana: vita sociale nelle città

• Evoluzione della vita, a partire dal brodo primordiale

• Cervello

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Comportamento COLLETTIVO

In un sistema complesso, una serie di regole semplici può determinare l’insorgenza di comportamenti complessi e imprevisti

Il segreto è nel fatti che questi comportamenti semplici sono applicate in modo continuativo da parte di migliaia di elementi del sistema

Esempio: termitaio• Unica regola: trasportare e depositare un grumo di terra,

impregnandolo di un ormone che attrae altre termiti. Esempio: formiche che costruiscono un nido

• Regola 1: tendenza a muoversi verso il nido invece che a casaccio

• Regola 2: presenza di un tempo limite di trasporto



Esempio: stormo di uccelli:• Regola 1: non andare a sbattere contro gli altri uccelli• Regola 2: non allontanarti troppo dal gruppo

Esempio: pinguini “elettronici” nel film “Batman Returns”

Esempio: Preda di M. Crichton• Romanzo che illustra con grande chiarezza le opportunità

offerte da nano-tecnologie, micro-robot e sofisticate forme di intelligenza artificiale, tecniche da fantascienza che potrebbero diventare realtà e rappresentano il futuro della medicina.

• Uno sciame di micro-videocamere che, iniettate nel corpo umano, è in grado di effettuare diagnosi di estrema precisione.

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Branchi di pesci, stormi di uccelli, sciami di insetti, …


La Sincronizzazione

Ogni lucciola emette flash luminosi con un ciclo interno regolare

Ogni lucciola aggiusta la sua frequenza di flash in funzione dei suoi vicini

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La Sincronizzazione

Applausi a Teatro


Formazione di PATTERN

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Auto-Organizzazione (Cibernetica e neuroscienze)

La progressione della idea di auto-organizzazione stimolò molti settori di ricerca tra cui la cibernetica, le neuroscienze e la biologia.

Già da tempo erano iniziati i tentativi di simulazione dei meccanismi naturali dell'intelligenza e della autoorganizzazione. I più significativi furono • l'avvento delle reti neurali con le prime esperienze di

McCulloch e Pitts nel 1943 [Mc Culloch, Pitts, 1943]

• e gli automi cellulari introdotti da J. Von Neumann [Von Neumann, 1966] per tentare lo sviluppo di macchine in grado di autoriprodursi.

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