Un team dell’Università di Lund, in collaborazione con il MIT, è riuscito a far progettare a un sistema di intelligenza artificiale una forma di vita digitale completamente nuova. Lo studio, pubblicato su Science Advances, mostra che un processo di evoluzione artificiale può riprodurre schemi biologici reali all’interno di un ambiente 100% virtuale.
I ricercatori hanno inserito organismi virtuali in un ecosistema sintetico per osservare se, sottoposti a pressione evolutiva, sarebbero stati in grado di sviluppare strutture complesse. A questi agenti digitali sono stati assegnati compiti di base e, tramite variazioni casuali e selezione delle configurazioni più efficienti, sono stati replicati i principi della selezione naturale in un sistema computazionale. Progressivamente sono comparse strutture sensibili alla luce, che si sono evolute fino a formare veri e propri “occhi digitali” collegati a reti interne. Il processo è emerso dall’interazione continua tra variazione e adattamento.
Il progetto dimostra che l’intelligenza artificiale può simulare l’evoluzione e anticipare possibili soluzioni tecnologiche future, fungendo da laboratorio virtuale per esplorare scenari impossibili da testare nel mondo reale.
Come fa l’IA a progettare la vita digitale da zero?
Il quadro teorico dello studio si basa sulla coevoluzione tra occhi, cervello e comportamento. Gli agenti artificiali si muovono in ambienti simulati in cui devono svolgere compiti come:
- Navigare in un labirinto
- Riconoscere oggetti
- Seguire bersagli in movimento
- Evitare ostacoli
Su molte “generazioni” digitali, algoritmi evolutivi modificano le caratteristiche degli occhi (posizione, numero di fotorecettori, campo visivo) e la capacità di elaborazione delle reti neurali che fungono da “cervello”. Gli agenti che svolgono meglio i compiti hanno maggiore probabilità di trasmettere le proprie caratteristiche alla generazione successiva, esattamente come avviene con la selezione naturale in biologia.
L’ambiente decide la forma degli occhi
Uno dei risultati più importanti è che le richieste dell’ambiente influenzano direttamente il modo in cui si evolvono gli occhi. Quando gli agenti devono soprattutto muoversi nello spazio ed evitare ostacoli, tendono a sviluppare sistemi visivi con più occhi distribuiti attorno al corpo, simili a quelli di alcuni insetti.
Al contrario, quando il compito principale è distinguere oggetti specifici, gli agenti evolvono occhi frontali ad alta risoluzione, paragonabili agli occhi “a camera” di molti vertebrati. Questo suggerisce che differenti tipi di compiti portano naturalmente a diversi progetti visivi, proprio come è accaduto nel corso dell’evoluzione biologica.
Lenti, luce e risoluzione: il compromesso ottico
Lo studio ha analizzato anche l’evoluzione degli elementi ottici, in particolare le lenti. I ricercatori hanno osservato che i primi sistemi visivi semplici possono migliorare la precisione riducendo la dimensione dell’apertura, ma così facendo limitano la quantità di luce che entra. Questo compromesso crea un limite di prestazione: più precisione, meno luce.
Quando il modello permette la comparsa di strutture in grado di piegare la luce, come le lenti, gli agenti evolvono sistemi che mantengono una buona risoluzione pur catturando più luce. Il risultato sostiene l’ipotesi secondo cui le lenti, nella storia della vita, sarebbero emerse proprio per risolvere il conflitto tra capacità di dettaglio e quantità di luce disponibile.
Cervello e sensi devono crescere insieme
Un altro risultato chiave è la scoperta di una sorta di legge di scala. Per migliorare le prestazioni visive non basta aumentare la dimensione del “cervello” o della rete neurale se la risoluzione degli occhi è bassa. In pratica, capacità di elaborazione e qualità dei sensori devono crescere insieme.
Questa relazione richiama ciò che si osserva negli animali reali, dove esiste un legame tra dimensione degli occhi e dimensione del cervello. Più informazione visiva entra, più potenza di calcolo è necessaria per elaborarla in modo efficace.
L’effetto Baldwin: imparare accelera l’evoluzione
Il sistema di simulazione sviluppato consente agli agenti di evolversi fisicamente mentre imparano durante la loro “vita”. Questo modello riflette il cosiddetto effetto Baldwin, secondo cui la capacità di apprendere può influenzare l’evoluzione genetica.
Gli agenti che imparano meglio nel corso della loro esistenza virtuale hanno maggiori probabilità di essere selezionati. Di conseguenza, le loro caratteristiche fisiche e cognitive evolvono più rapidamente, combinando apprendimento individuale ed evoluzione di lungo periodo in un unico quadro dinamico.
L’IA come strumento per fare scienza
Nel complesso, lo studio mostra che i sistemi di intelligenza artificiale possono essere usati come veri strumenti scientifici per studiare i processi evolutivi. Attraverso la cosiddetta evoluzione computazionale, i ricercatori possono mettere alla prova ipotesi in modo sistematico, isolare singoli fattori e indagare il “perché” dietro l’evoluzione dei sistemi di visione.
Gli autori spiegano di aver ricreato l’evoluzione della vista facendo coevolvere occhi e comportamenti in agenti dotati di un corpo virtuale, utilizzando questo approccio per far emergere i principi che plasmano la visione a diversi livelli, secondo la gerarchia proposta da Marr. Da qui derivano tre risultati principali:
- Evidenza computazionale che la selezione legata a compiti specifici può provocare una biforcazione nell’evoluzione degli occhi.
- Dimostrazione che le innovazioni ottiche emergono spontaneamente per risolvere i compromessi tra cattura della luce e precisione spaziale.
- Identificazione di leggi di scala tra acutezza visiva ed elaborazione neurale, che offrono nuove prospettive su ipotesi di lunga data riguardo alle dimensioni di occhi e cervello.
Secondo i ricercatori, questo lavoro introduce un nuovo paradigma che usa l’IA incorporata (cioè dotata di un corpo e di un ambiente, seppur virtuali) come “macchina per testare ipotesi”, in grado di accelerare le scoperte nella scienza della visione e, più in generale, nello studio dell’evoluzione.
FAQ
Questa “vita digitale” è paragonabile a forme di vita reali?
Gli agenti creati nello studio non sono organismi biologici, ma simulazioni matematiche che imitano alcuni principi fondamentali dell’evoluzione. Non hanno autonomia fuori dal computer né coscienza, però permettono di osservare come potrebbero emergere strutture complesse, come gli occhi, a partire da regole semplici di variazione e selezione.
Questo tipo di ricerca può avere applicazioni pratiche?
Sì. Simulando milioni di generazioni in ambienti virtuali, l’IA può suggerire nuovi design per sensori, sistemi di visione artificiale e robotica. Inoltre, può aiutare a testare ipotesi sulla biologia della visione senza dover ricorrere a esperimenti lunghi o eticamente complessi su organismi viventi.
