Morfologiska beräkningar i kognitiva system (MORCOM@COGS)

Forskningsprojekt, 2016 – 2020

Naturen har genom evolutionen utvecklat processer som styr komplexa informationsstrukturer. Vi lär oss använda samma principer för att öka förmågan att hantera de enorma mängder data som nuförtiden ständigt genereras, både informationseffektivt och med minimum energi. Däri ligger vikten av kunskapen om naturinspirerade beräkningsprocesser som vetenskapligt ramverk och som analysverktyg.

Beräkningar är att jämställa med fysiska processer i naturen. Naturberäkningar ("natural computation") kan användas för att förklara emergenta fenomen genom att följa komplexifiering av information via beräkningsprocesser på olika organisationsnivåer i naturen.

Forskningsprojektet MORCOM@COGS utvecklar ett ramverk för verklighetsnära beräkningsmodeller av kognitiva system. Det nya ramverket är ett verktyg som kommer att användas för att studera kognitiva system som levande organismer eller artificiella system av olika komplexitet.

Vi föreslår en syntes där information utgör strukturen och beräkningsprocessen dess förändringar (dynamiken). Konsekvensen av det nya syntetiska ramverket blir att fysiska objekt och förlopp kan framställas, tolkas och förutsägas med beräkningsinformatiska metoder.

MORCOM@COGS utvecklar ett konceptuellt ramverk där beräkningsprocessen generaliseras från abstrakt symbolmanipulering av Turingmaskin-typen till informationsprocesser i fysiska system. Projektet studerar hur information skapas och struktureras på olika nivåer/skalor och hur den förändras genom fysiska processer i kognitiva system.

Följderna av skiftet i beräkningsmodeller mot kognitiva beräkningar (cognitive computing) undersöks genom att jämföra redan existerande modeller med de nya, morfologiska beräkningsmodellerna. Komplexa system i naturen har redan inspirerat till ett antal metoder för informationsbehandling - bland annat artificiella neuronnät, genetiska algoritmer och genetisk programmering, och utvecklingen fortsätter.

Projektet syftar till att:

1) Vidareutveckla det syntetiska ramverket av naturlig info-beräkning. Det finns redan idag tillräckligt med element av en teori baserad på naturinspirerade beräkningsprocesser som är betydligt mer adekvat för komplexa kognitiva system än de vi har idag. Vi jämför det nya tillvägagångssättet med den befintliga Turingmaskinmodellen - öppna kontra slutna system, generativa kontra i förväg bestämda förlopp, parallella kontra sekventiella processer, osv. Det råder brist på enhetlig förståelse och distinktion mellan olika nivåer av organisation, olika typer av information och processer som kan tolkas som beräkningar. Informationsdynamiken i fysiska processer grundas i fysiska beräkningsmekanismer som möjliggör förklaringen av komplexifiering i naturliga och artificiella kognitiva system. Vi vill undersöka konsekvenserna av generalisering av beräkningsbegreppet med tillämpning på morfologiska processer där morfologin (formen, strukturen samt materialegenskaper) i ett kognitivt system avgör dynamiken i dess informationsstruktur.

2) Implementationsprojektet handlar om att implementera morfologiskt baserade modeller i kognitiva system. Med morfologiskt baserade modeller menas att sensorer och aktuatorer är givna av genotypens morfologi, medan mellanskiktet utvecklas som fenotyper i en ständigt pågående process. En organism består här av ett informationsnätverk, och nätverket utvecklas i enlighet med några få grundläggande principer, sensorer och aktuatorer, morfologibaserad Hebbianskt och Bayesianskt lärande, perception och antecipation, osv. Detta leder till ett morfologiskt system som ständigt utvecklas i växelverkan med omgivningen.

Vi fokuserar på följande tre processer:
• Sensor- till aktuatordata med självorganisering av information genom morfologisk beräkning
• Lärande och minne genom morfologi
• Beslutsfattande, snabbt och långsamt (Kahnemans två-systemprocessteori) genom signalbehandling respektive symbolbearbetning, baserad på morfologiska beräkningar.

Ovanstående gäller olika klasser av kognitiva agenter - från de enklaste encelliga organismer och deras nätverk till de mest komplexa agenter såsom människor.

Projektet är organiserad i följande arbetspaket:

1. Info-beräkningsramverk
2. Morfologisk beräkningsmodellering av kognition
3. Implementering av morfologiska beräkningsmodeller för olika typer av kognitiva system
4. Syntes och publikation

Med resultaten från arbetspaketen kommer vi att kunna förbättra det grundläggande ramverket samt vår förståelse av olika typer av kognitiva beräkningsmodeller.