PDF de programación - Aportaciones y Aplicaciones de Disciplinas Bioinspiradas a la Creatividad Computacional

Aportaciones y Aplicaciones de

Disciplinas Bioinspiradas a la

Creatividad Computacional



Carlos Alberto Sánchez Quintana

Dept. Lenguajes y Ciencias de la Computación

Universidad de Málaga, España



Tesis Doctoral

Para la obtención del grado

Doctor por la Universidad de Málaga



ABRIL, 2015







AUTOR: Carlos Alberto Sánchez Quintana
EDITA: Publicaciones y Divulgación Científica. Universidad de Málaga



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Esta Tesis Doctoral está depositada en el Repositorio Institucional de la Universidad de
Málaga (RIUMA): riuma.uma.es






Dr. Francisco J. Vico, Catedrático de Universidad, Departamento de Lenguajes y
Ciencias de la Computación, Universidad de Málaga, España.



Certifica que:

Carlos Alberto Sánchez Quintana, Ingeniero Superior en Informática, ha
completado su tesis doctoral:



Aportaciones y Aplicaciones de

Disciplinas Bioinspiradas a la

Creatividad Computacional



en el Departamento de Lenguajes y Ciencias de la Computación en la Universidad
de Málaga, bajo su supervisión. He dirigido esta tesis doctoral, y la apruebo para ser
presentada a la Comisión de Doctorado de la Universidad de Málaga.



Málaga, Abril 2015.



Dr. Francisco J. Vico.

Catedrático de Universidad

Universidad de Málaga

España











A mis padres, por haberme dado la oportunidad de recorrer este camino maravilloso que es la vida.

Manuela, por dejarme recorrerlo junto a ella y ser mi fiel compañera.

Wendy, por su compañía y cariño incondicional hasta el final.











Resumen

¿Puede una computadora desarrollar un comportamiento creativo? Esta compleja

cuestión ha despertado un creciente interés en las últimas décadas. Es un hecho

evidente que las computadoras han superado la capacidad humana en múltiples

dominios. Sin embargo, alcanzar la creatividad humana sigue suponiendo un reto

para las computadoras. Por otra parte, la naturaleza ha sido una de las principales

fuentes de inspiración para la propuesta de novedosas soluciones creativas en

diferentes áreas y contextos. En este sentido, dentro de la inteligencia artificial, el

paradigma de la computación evolutiva, inspirado en la evolución natural, ha

propuesto varias técnicas, entre ellas los algoritmos evolutivos, que han sido

empleadas ampliamente en procesos creativos. Por definición, la creatividad requiere

amplias dosis de innovación y diversidad. En el campo de la biología, recientes

hipótesis apuntan a que el proceso de desarrollo es un mecanismo fundamental en el

surgimiento de innovación y diversidad en los seres vivos. Por este motivo, el

campo de la biología evolutiva del desarrollo (evo-devo), ha emergido para reclamar su

incorporación como componente clave en la evolución de una gran diversidad de

comportamientos y diseños estructurales innovadores. En el campo de la

computación, la biología evolutiva del desarrollo ha inspirado dos disciplinas: el

desarrollo artificial, que incorpora el proceso de desarrollo en los algoritmos

evolutivos mediante codificación indirecta del esquema genotipo-fenotipo; y la

ingeniería embriomórfica, la cual, imitando el proceso de desarrollo biológico,

persigue el desarrollo de morfologías y comportamientos complejos artificiales

mediante la auto-organización de grandes cantidades de pequeños agentes.

En línea con la compleja cuestión planteada sobre la capacidad creativa de las

computadoras y la inspiración de la naturaleza como fuente de creatividad e

innovación, este trabajo de tesis explora la aplicación de diferentes disciplinas

bioinspiradas, concretamente los algoritmos evolutivos, el desarrollo artificial y la

ingeniería embriomórfica, para la generación de productos creativos con diferentes

campos de aplicación. Para ello, se presentan modelos computacionales, cuyas

soluciones son aplicables en contextos tan diversos como la composición

algorítmica, la medicina, la animación por computador y la robótica.



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Concretamente, en el campo de la composición algorítmica, se presenta Melomics, un

nuevo enfoque en creatividad computacional basado en evo-devo, cuyo objetivo es la

automatización completa del proceso de composición musical. Parte del contenido

que aparece en esta tesis sobre este innovador enfoque ha sido publicado en [152].

Con el objetivo de medir en qué grado la música generada por la tecnología Melomics

tiene la misma valencia que la compuesta e interpretada por un humano, se exponen

los resultados de un estudio, los cuales determinan que la música compuesta por

Melomics es en la práctica indiferenciable de la música compuesta por un humano,

tanto desde el punto de vista emocional como evocador, siendo los participantes

incapaces de distinguir las piezas compuestas por humano y las piezas compuestas

por Melomics. En el campo de la medicina, la aplicación de M3 (un sistema basado en

Melomics) a terapia es estudiada mediante un experimento controlado orientado a la

reducción del dolor en un entorno clínico, cuyos resultados han sido publicados en

[142]. Por otro lado, en el campo de la animación por computador, se presenta un

modelo evolutivo de avatares animados mediante física como soporte creativo para

la sincronización automática de personajes y música en escenas de animación. Para

su aplicación práctica, se propone una herramienta para la importación de los

resultados de este modelo en un entorno de animación profesional como Blender.

Con potencial aplicación en el campo de la robótica, se presenta un modelo de

desarrollo artificial, inspirado en las gramáticas de grafos reguladas por cadenas,

aplicado a la robótica evolutiva y de desarrollo para la búsqueda de formas y

comportamientos creativos de agentes virtuales escaladores. Los resultados de las

simulaciones confirman la adecuación del uso del formalismo de las gramáticas de

grafos reguladas por cadenas, que implementa una codificación indirecta, como

sistema de desarrollo de estructuras ingenieriles. Por último, se presenta un modelo

de aplicación de la ingeniería embriomórfica al desarrollo de sistemas auto-

organizados artificiales, del cual se han derivado dos publicaciones [55], [54]. Este

modelo propone principios para el desarrollo de agentes multicelulares auto-

organizados capaces de crear morfologías precisas y funcionales de una manera

puramente endógena; con aplicaciones potenciales en robótica colectiva y

animación.



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Agradecimientos

Me gustaría comenzar mostrando mi agradecimiento a mi tutor y director de tesis,

Francisco J. Vico, sobre todo por haberme brindado la oportunidad de embarcarme

en esta estimulante aventura que resulta el mundo de la ciencia. Han sido varios

años de travesía en los cuales realmente he disfrutado satisfaciendo mi curiosidad e

intentando aportar mi humilde granito de arena al campo científico. Desde luego,

todo ello no hubiera sido posible sin ti, gracias Paco. Tampoco quiero dejar pasar la

oportunidad de agradecer al Dr. Rene Doursat el hecho de acogerme durante mi

estancia en el Instituto de Sistemas Complejos de París, momento desde el cuál

surgió una enriquecedora colaboración entre ambos a nivel científico. Gracias

también al programa de becas FPI de la Junta de Andalucía, el cual ha financiado

mis investigaciones durante cuatro años.

Como estudiante de doctorado a cargo de Francisco J. Vico, he realizado mi labor

investigadora dentro del Grupo de Estudios en Biomimética (GEB), el cual

pertenece al grupo de Inteligencia Computacional y Análisis de Imágenes (ICAI),

liderado por José Muñoz Pérez, a quién me gustaría agradecer su trato amable en los

momentos que he coincidido con él. Este agradecimiento es extensible al resto de

miembros del ICAI y del departamento de lenguajes y ciencias de la computación de

la Universidad de Málaga.

Gran parte de culpa de mi agradable experiencia la tienen mis compañeros de

laboratorio, los que aún están y los que ya se marcharon. Personas con las que he

compartido grandes momentos e interesantes charlas. Gracias a José David

Fernández, por sus constantes y sabios consejos que han permitido que este camino,

en ocasiones tortuoso, sea más llevadero. También me gustaría darle las gracias a

Miguel Carmona por compartir sus iluminadores y refrescantes conocimientos

conmigo. Tampoco puedo olvidarme del siempre perspicaz José David Gutiérrez



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“Guti” y de David Albarracín, tan amante de la tecnología. Gracias también a José

Serrano y Juan Carlos Moya por echarme una mano con sus amplios conocimientos

musicales; a Francisco Osuna, por su apoyo