La evolución de los vehículos autónomos sigue avanzando a pasos agigantados. En un futuro cercano, es probable que todos vayamos sentados en el auto sin necesidad de conducir, y haciendo alguna otra actividad. Cada vez más marcas se suman a esta tecnología y ya se están viendo autos que cuentan con sistemas de detección del entorno, lo que permite al auto frenar automáticamente ante el riesgo de atropellar a alguien si el conductor no se ha dado cuenta, evitar una colisión, etc.
Esta es la parte que se ve. Pero todo eso se consigue de una manera, la parte matemática.
Según una nota de ABC, lo primero que hay que hcer es observar las prestaciones que deseamos conseguir. Necesitamos que el sistema detecte y distinga diferentes objetos e indicaciones: peatones, ciclistas, otros vehículos, señales de tráfico y su significado, los márgenes de la calzada, actualización del contexto en tiempo real…
Para captar lo que sucede, el vehículo debe tener incorporado una o varias cámaras de la mayor resolución posible. Además de un objetivo gran angular para que pueda visualizar ángulos muertos para nosotros. Deben captan varios cientos de imágenes que mandan al ordenador del automóvil, las que son analizadas e interpretadas. La opción más usada hasta ahora es la del GPS o de los sensores de proximidad.
Otra posibilidad distinta son los algoritmos: de visión artificial y de machine learning (aprendizaje automático). Estos últimos son procesos mediante los cuales la máquina aprende por sí sola, sin ser explícitamente programada. Abarcan muchas técnicas y algoritmos, aunque básicamente pueden clasificarse en dos tipos, en función de qué pretenden aprender y de cómo pretenden hacerlo. A su vez, según el tipo de problema al que se enfrenten, pueden dividirse en algoritmos de regresión y algoritmos de clasificación. Los primeros utilizan datos continuos (por ejemplo, una editorial para pronosticar el número de libros que se pueden vender en el mes de noviembre emplea datos independientes entre sí como las ventas hechas en los meses anteriores, en varias ciudades, etc.), mientras que los segundos tratan de predecir a qué clase pertenece un conjunto de datos. Según la forma de aprender, los algoritmos machine learning se dividen en supervisados y no supervisados.
Tras esta panorámica general, centrémonos en el tema del que estamos hablando, eligiendo un algoritmo de clasificación supervisada. Este tipo se utiliza en situaciones que requieren, por ejemplo, clasificar imágenes, reconocimiento de escritura, reconocimiento del habla, descubrimiento de drogas, cualquier circunstancia en la que se necesite separar datos en clases previamente definidas. Y entre los algoritmos de esta clase, describiremos las conocidas como redes neuronales artificiales.
Red Neuronal Imitando el funcionamiento del cerebro humano, las redes neuronales artificiales se basan en el manejo de un sistema de células elementales, llamadas por analogía neuronas, que se interconectan entre sí en varias capas o niveles, y de modo que los enlaces entre ellas pueden incrementar o inhibir el estado de activación de las neuronas adyacentes. En este caso los estímulos nerviosos empleados son funciones matemáticas.
Cada neurona recibe del exterior o de otras neuronas una serie de estímulos Xi. A cada uno de ellos se le asocia un peso wi (un valor numérico) de acuerdo a la relevancia que los demos. Con esos valores se calcula una suma ponderada a la que se le puede además añadir otros valores independientes b. Por ejemplo: Z = w1 X1 w2 X2 b. Posteriormente, a este valor Z se le suele aplicar una función de activación σ, cuyo objeto es generalmente eliminar la linealidad de la red (los actos de nuestra vida, los fenómenos naturales, etc., no se comportan de manera lineal casi nunca: el simple lanzamiento de una piedra describe una trayectoria parabólica, por poner un ejemplo elemental, o las ondas descritas en el agua por esa misma piedra son circulares).
Esas expresiones son funciones matemáticas (funciones salto, logística, arco tangente, tangente hiperbólica, etc.). Cada una tiene sus ventajas e inconvenientes, dependiendo del problema que se pretenda abordar, aunque lo usual es realizar pruebas con varias de estas funciones hasta obtener los resultados más satisfactorios al problema que se está modelizando.
Una vez aplicada esa función de activación, la neurona seguirá finalmente la expresión: Y = σ(Z). Se han ideado tres tipos básicos de este tipo de «neuronas matemáticas»: las neuronas de entrada, que son las encargadas de proporcionar información del exterior de la red al resto de neuronas, y no realizan ningún cálculo; las neuronas ocultas, que no tienen conexión directa con el exterior, realizan los cálculos y se encargan de enviar la información desde la entrada a la salida; y las neuronas de salida, que dan información al exterior de la red, y también efectúan cálculos.
Seguramente el lector se pregunte sobre cómo se eligen esos pesos wi indicados anteriormente. Inicialmente podemos poner unos valores cualesquiera porque, a continuación, se entra en una fase de entrenamiento del modelo. Es decir, los valores adecuados los vamos a ir obteniendo a base de experimentar y confrontar los datos obtenidos de la realidad y del modelo que hemos construido, y se irán calculando ellos solos, iterativamente.
Para esto, se toma una nueva función (elegida de entre un muestrario conocido) llamada función de pérdida que nos va a calcular el error que estamos cometiendo. Se prueban varias funciones de pérdida y se considera una media de todas las que probemos, obteniendo una nueva función, la función de coste. Por supuesto todo esto lo hace el ordenador y nuestra función es interpretar los datos y cambiar los parámetros después de analizar la situación (que no se hace a nuestro libre albedrio; de nuevo son las matemáticas las que nos aconsejan qué decisiones tomar).
Además, hay software disponible que nos facilita también la obtención de los parámetros que necesitamos, software que nuevamente son algoritmos matemáticos implementados para que funcionen en un ordenador.
La última fase es la activación de la neurona, de cada una de las neuronas que componen la red. A veces no es conveniente activar alguna, otras veces sí; depende de cada situación. Como en nuestro cerebro, no activamos los mismos mecanismos, sino que lo hacemos de acuerdo a la situación.
Como hemos indicado antes, estos objetos tratan de reproducir lo mejor posible la más perfecta de las máquinas, el cerebro humano. Pero la cosa no acaba aquí. Establecido el funcionamiento de las neuronas, hay que decidir cómo interaccionan entre sí. Lo normal es agruparlas en varias capas, y estas capas son las que se relacionan unas con otras. Hay muchos modelos (los más utilizados son los convolucionales, que surgieron precisamente estudiando la visión artificial). Finalmente, todas esas capas deben integrarse en una arquitectura adecuada que emplee todas esas conexiones para poder aplicarlas en la resolución de problemas reales.
Esta es la parte más informática, aquí las matemáticas pintan menos (aunque no desaparecen del todo). En el eje horizontal (el de abscisas, el OX) se indica el número de iteraciones que realiza la red durante el aprendizaje. En el vertical (el de ordenadas, el OY) muestra el error que comete cada conjunto. Al inicio del entrenamiento los dos errores están muy altos. A medida que se va entrenando la red con más ejemplos, los errores van disminuyendo. El error sobre el conjunto de entrenamiento (la curva negra, el training data) disminuye más rápido, obviamente, porque son los datos sobre los que está aprendiendo la red. La zona ideal es aquella en la que vemos más cercanas las curvas, la banda central, en la que hemos encontrado un buen modelo.
A continuación, paradójicamente, llega un punto en el que, a pesar de aumentar el número de iteraciones, el error de nuestro modelo se dispara. Es la típica situación en la que la red tiene un problema de varianza. Gráficas de este tipo nos permiten detectar qué tipo de problemas podemos encontrarnos, y tras su análisis, intentar corregirlos.
Los algoritmos machine learning tienen ya su historia, aunque es ahora, con la actual potencia de los ordenadores y microprocesadores cuando se les empieza a sacar mayor partido. En 1943, el neurólogo Warren McCulloch, y el matemático Walter Pitts, modelizaron una primitiva Red Neuronal Artificial mediante circuitos eléctricos.
En 1950, el ingeniero eléctrico Nathananial Rochester intentó recrear una red neuronal en IBM, pero no tuvo éxito. No fue hasta 1952 cuando Arthur Samuel, otro de los pioneros en Inteligencia Artificial, desarrolló un programa capaz de jugar a las damas, que aprendiera y mejorara su estrategia después de cada partida. Desde entonces el avance en este campo ha ido en aumento.
Uno de los hitos más destacados de los algoritmos Machine Learning, tuvo lugar en 1997, cuando Deep Blue derrota al gran maestro de ajedrez Garri Kaspárov. Treinta años después, estas técnicas se perfeccionan y logran una hazaña mayor: vencer al mejor jugador de Go, el juego de mesa más complejo que existe (el número de partidas posibles excede varias veces el número de átomos del universo observable).
Un par de años después, el algoritmo AlphaGo Zero, también con técnicas de redes neuronales, fue capaz jugar al Go sin necesidad de la intervención humana, y al cabo de veinte días jugando contra ella misma alcanza un nivel que logró derrotar a 60 jugadores expertos y al campeón mundial en tres partidas. El nuevo algoritmo, evolucionado del inicial, es considerado el mejor jugador de la historia de este juego.
Este algoritmo marca un antes y un después en este tipo de técnicas, ya que la intervención humana en el proceso fue muy limitada: le bastaron las reglas del juego para entrenarse de manera autónoma.