SISTEMAS COMPLEXOS E DESIGN ADAPTATIVO
1.3.2 SISTEMAS COMPLEXOS ADAPTATIVOS
De certa forma um desdobramento desta hipótese apresentada e defendida Herbert Simon, a noção e o campo de estudo referente aos Sistemas Complexos Adaptativos [Complex Adaptive Systems - CAS] nasce das formulações do cientista estadunidense John Henry Holland10 [1929-2015]. Holland é es-
pecialmente reconhecido por sua proposição dos Algoritmos Genéticos [Genetic Algorithms - GAs], um dos casos particulares da sua teoria dos CAS.
O seu maior interesse e principal foco de atenção durante toda a sua carreira, foi o fenômeno bio- lógico da adaptação - ou seja, o processo pelo qual organismos vivos evoluem ou se modifi cam em resposta aos demais organismos ou ao seu ambiente em transformação - e de que maneira sistemas computacionais poderiam se adaptar de forma análoga através da modelagem destes princípios. Inspirado pela interpretação da teoria da evolução de Darwin realizada por Ronald Fisher no livro
The Genetical Theory of Natural Selection, Holland fi cou impressionado com a correspondência apre-
sentada entre o processo evolutivo e a reprodução animal (MITCHELL, 2011). Assim, utilizando seu conhecimento em matemática e programação computacional, Holland traçou como objeti- vo inicial estudar formalmente esse fenômeno para desenvolver meios capazes de incorporar os mecanismos identifi cados nos processos adaptativos naturais aos sistemas computacionais (MIT- CHELL, 1998)
1.3.2.1 Adaptação em Sistemas Naturais e Artifi ciais
Em seu livro inaugural Adaptation in Natural and Artifi cial Systems, originalmente publicado em 1975, John Holland expõe um conjunto de princípios para adaptação assim como sua proposta para o que fi caria posteriormente conhecido como algoritmos genéticos11.
8 No original: “to understand and manipulate complex systems, be they biological cells or computers, we al- most always develop hierarchical descriptions with successive levels of building blocks. In a general setting, this means looking at complexity and emergence in terms of mechanisms and procedures for combining them.”
9 Essa frase vem de um momento do trabalho de Holland posterior à teoria que será apresentada a seguir. Por isso, será perceptível que em um primeiro momento os termos utilizados na teoria não serão os mesmos.
10 Com formação em física e matemática, Holland se tornou em 1959 a primeira pessoa a receber um PhD em ciências da computação, desenvolvido no recém criado departamento para o novo campo na Universidade de Mi- chigan, nos Estados Unidos. Efetivado como professor pela mesma universidade, lecionou nas áreas de computação, engenharia e psicologia. Também foi membro do Santa Fe Institute - centro de referência nos estudos de complexidade. 11 Na época da primeira publicação do livro os termos “plano adaptativo” e “plano genético” foram usados para uma formulação matemática que logo passou a ser conhecida como “algoritmo genético” - nome adotado para
leigos em matemática avançada - algumas importantes características gerais dos processos adap- tativos. Para ele a adaptação sempre envolve a modifi cação progressiva de alguma estrutura ou
estruturas, independentemente do contexto tratado. Examinando essas mudanças estruturais su-
cessivas é possível identifi car o que ele defi ne como um conjunto básico de modifi cadores ou
operadores. A ação continuada destes operadores é, desta forma, a responsável pela sequência de
modifi cações observadas. Com isso, Holland conclui que um sistema que se adapta é caracterizado por uma mistura de operadores que age constantemente nessas estruturas nos seus diferentes es- tágios. (Holland, 1992)
Tal mistura de operadores em mudança é, por sua vez, controlada por um conjunto de fatores que ele denomina de plano adaptativo - e é este plano que constitui o funcionamento do sistema no que é relativo (apenas) ao seu caráter adaptativo (não tratando assim de outros aspectos). O plano adaptativo determina que estruturas surgem em resposta a um determinado ambiente ou meio e, os limites deste plano são o conjunto de estruturas alcançáveis pela aplicação de todas as sequên- cias possíveis de operadores - o seu domínio de ação. O objetivo ou a tarefa do plano adaptativo é, assim, chegar em estruturas que tenham um bom desempenho no meio em que estão inseridas. Nota-se que a melhor adequação de cada estrutura estará sempre ligada à performance exibida em um ambiente específi co que também é passível de variação - temos para cada caso, estruturas me- nos ou mais adequadas [fi t] àquele ambiente. Adaptações ao meio são propriedades persistentes de uma sequência de estruturas geradas pelo plano adaptativo. (Holland, 1992)
Além das noções básicas estruturas e operadores, para elaborar uma declaração precisa [statement] da tarefa do plano adaptativo deve-se defi nir três componentes essenciais:
• E, o ambiente [environment] onde se situa o sistema em adaptação;
• τ, o plano adaptativo [adaptative plan] por meio do qual as estruturas do sistema são modifi - cadas para resultar em melhorias; e,
• μ, uma medida de performance, referente a adequação das diferentes estruturas ao ambien- te.
Neste cenário, Holland (1992) destaca que o ponto crucial do problema com qual o planoτ precisa lidar é a incompletude de informações sobre quais estruturas são mais adequadas ao ambiente. As- sim que, de alguma forma, é preciso testar a performance de diferentes estruturas em um conjunto particular de ambientes relevantes. Coloco aqui em outras palavras: ao testar diferentes alternativas de estruturas - inputs - é possível avaliar diferentes performances no ambiente - outputs. O caráter
enfatizar o papel central da computação na defi nição e implementação dos plano (HOLLAND, 1992), constituindo uma família de métodos de busca e otimização baseada na evolução biológica (FORREST; MITCHELL, 2016).
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adaptativo do sistema é caracterizado justamente pela relação entre diferentes ambientes e a emer- gência de diferentes sequências de estruturas. Para formalizar a incerteza inicial sobre o ambiente e o domínio de ação do plano adaptativo é necessário designar:
• ε, como a classe de todos os ambientes possíveis; • α, como o conjunto de todas estruturas atingíveis;
Assim, retomando a correlação entre estrutura e ambiente mencionado anteriormente, dado que diferentes E ∈ε evocam diferentes performances de certa estrutura A∈α, teremos medidas de performances específi cas para cada relação - uma μE associada a cada E. Para que um plano seja considerado adaptativo a trajetória através de α precisa depender do E ∈ε existente. Em outras palavras, sendo Ω o conjunto de operadores que exercem modifi cações nas estruturas, pode-se dizer também que a ordem de aplicação de operadores deΩ deverá depender de E. Assim, temos muitas variáveis que afetam a difi culdade de adaptação: ela é dependente da organização deα, dos efeitos dos operadoresΩ exercidos nas estruturas que pertencem aα, além da forma da medida de performanceμE.
Considerando esses fatores, Holland sintetiza os principais obstáculos ao processo de adaptação nos seguintes termos:
• a grandeza de α implica que existem muitas alternativas a serem testadas;
• as estruturas de α são conformadas de tal maneira intrincada que é difícil determinar as partes/ subestruturas responsáveis por um bom desempenho de performance;
• a performance μE é uma função com muitos parâmetros interdependentes;
• a medida de performance varia no tempo e no espaço, assim um resultado vantajoso pode ser assim considerado apenas em situações específi cas;
• o ambiente E apresenta um grande fl uxo de informação ao plano τ que precisam ser fi ltradas e classifi cadas quanto às suas relevâncias.
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As informações sobre sistemas adaptativos apresentadas aqui até esse ponto constituem a avalia- ção preliminar disposta por Holland (1992) no primeiro capítulo de seu livro, ainda sem envolver considerações e provas matemáticas. Todos os termos e relações aqui apontados permitem que aspectos relevantes possam ser considerados por aqueles com menos conhecimento matemático, ao associá-los com percepções familiares ou intuitivas.