Arquitecturas cognitivo-afectivas y agentes virtuales

Joaquín Pérez Marco

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Arquitecturas cognitivo-afectivas y agentes virtuales

Autores: Joaquín Pérez Marco
Directores de la Tesis: Francisco José Serón Arbeloa (dir. tes.) , Eva Mónica Cerezo Bagdasari (dir. tes.)
Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2017
Idioma: español
Tribunal Calificador de la Tesis: Alfredo Pina Calafi (presid.) , Sandra Silvia Baldassarri (secret.) , Rosa María Gil Iranzo (voc.)
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Resumen
- 1. Resumen ejecutivo Los conceptos de agentes inteligentes y ECAs (embodied conversational agents, agentes conversacionales corporeizados) han surgido y evolucionado durante los últimos 20 años. En particular, un ECA es un personaje virtual con habilidades de conversación y aprendizaje, expresión corporal realista, y la capacidad de percibir un entorno, razonar acerca de él y actuar en consecuencia. La incorporación de estas características a los ECAs no es sencilla. Para ayudar en esta tarea, se puede emplear una arquitectura cognitiva, definida como un esquema o patrón para estructurar los elementos funcionales que componen un agente inteligente, por lo que simplifica el diseño de un sistema integrado en el que todas estas funciones puedan ser incluidas. En este contexto, las arquitecturas cognitivas parecen medios adecuados para proporcionar a los ECAs capacidades de procesamiento cognitivo, tales como el aprendizaje, la toma de decisiones, la planificación y la percepción.
  
  Por otro lado, existe hoy en día un consenso entre los investigadores sobre la estrecha interacción entre la cognición y la emoción en los seres humanos y el papel que juegan las emociones en funciones como la toma de decisiones, el aprendizaje y la planificación. Este tipo de descubrimientos han llevado al concepto de computación afectiva (affective computing), introducido por Picard, que se refiere al estudio y desarrollo de sistemas y dispositivos que puedan reconocer, interpretar, procesar y simular las emociones u otros fenómenos afectivos. En los últimos años, este área de investigación ha sido extensamente desarrollada, ya que hay un consenso en que un requisito fundamental para lograr un comportamiento similar al humano en agentes computacionales es considerar los aspectos afectivos. A pesar de los grandes avances en el desarrollo de ECAs, no hay demasiadas arquitecturas que combinen aspectos emocionales y cognitivos: existe una necesidad de arquitecturas cognitivo-afectivas que aborden el problema de combinar los aspectos cognitivos y afectivos para lograr la interacción natural y comportamiento realista en los ECAs.
  
  En esta tesis doctoral se ha empezado por estudiar las arquitecturas cognitivas, los modelos afectivos y los ECAs previos. Ello ha permitido determinar los mecanismos para construir ECAs que les faltan a las arquitecturas cognitivas actuales, notablemente, soporte para características afectivas, esenciales para la construcción de ECAs modernos. Por ello, se ha desarrollado una arquitectura cognitivo-afectiva que pueda satisfacer las necesidades de ECAs modernos, basada en la arquitectura cognitiva Soar y el modelo afectivo ALMA. Esta arquitectura se ha integrado en E-VOX, un sistema tipo ECA basado en un agente previamente existente (VOX) diseñado para buscar información en Wikipedia y proporcionar resultados de búsqueda al usuario. La arquitectura cognitivo-afectiva incluida ha permitido que el ECA logre una mejor interacción con el usuario. Este sistema ha sido evaluado con usuarios reales, con resultados satisfactorios que muestran la viabilidad del sistema y plantean una línea de trabajo futuro para extender las posibilidades del sistema y la propia arquitectura cognitivo-afectiva.
  
  2. Aportaciones de la tesis Las principales aportaciones de la tesis se presentan a continuación:
  
  Se ha realizado un estudio previo sobre las arquitecturas cognitivas, los modelos afectivos, y los ECAs existentes en la actualidad. Se determinó que, aunque la mayoría de las arquitecturas cognitivas carecen de algunos mecanismos esenciales para construir ECAs, en particular, soporte para características afectivas como emociones, estado de ánimo o personalidad, sí proporcionan un entorno adecuado para agregar este tipo de características. Por otro lado, los modelos afectivos adecuados para el desarrollo de ECAs incluyen aspectos tales como el estado de ánimo y la personalidad para reflejar los estados emocionales a medio y largo plazo en los ECAs, lo cual permite abordar la construcción de ECAs modernos, creíbles y complejos.
  
  Se ha desarrollado una arquitectura cognitivo-afectiva con funcionalidades adecuadas para su inclusión en un sistema de tipo ECA. Esta arquitectura se ha basado en la arquitectura cognitiva Soar [Laird, 2012], una de las más potentes y flexibles, junto con un modelo afectivo basado en ALMA [Gebhard, 2005]. Este modelo afectivo tiene en cuenta tres capas: las emociones (siguiendo el modelo OCC [Ortony et al., 1988]), el estado de ánimo (siguiendo el modelo de temperamento de Mehrabian [Mehrabian, 1996]) y la personalidad (siguiendo el modelo OCEAN [McCrae and John, 1992]), que representan a corto plazo, a medio plazo, y a largo plazo características afectivas. La arquitectura propuesta está diseñada para aprovechar mecanismos tales como el aprendizaje por refuerzo, la memoria episódica, y el tratamiento de emociones, y ayudarse mutuamente pudiendo superar algunas de las limitaciones tanto de Soar como de ALMA. El estado del arte de arquitecturas cognitivas junto con la arquitectura propuesta han sido publicados en la revista BICA [Pérez et al., 2016b].
  
  Se ha implementado un sistema basado en ECA (E-VOX), diseñado para trabajar como un asistente virtual para buscar información en Wikipedia, en el que se ha integrado la arquitectura cognitivo-afectiva desarrollada. Esta integración hace posible influenciar y modificar el comportamiento del agente dependiendo del feedback recibido por parte del usuario y otra información del entorno, permitiendo que el ECA logre una interacción más realista y creíble con el usuario. Aunque es un prototipo, es totalmente funcional y muestra la viabilidad del sistema. Los primeros resultados de la integración de la arquitectura cognitivo-afectiva con el sistema VOX han sido aceptados para su publicación en la revista Kybernetes [Pérez et al., 2017c] y presentados en el congreso ICMI [Pérez et al., 2016a]. Además, se han llevado a cabo sesiones de evaluación del sistema con usuarios reales, con resultados satisfactorios que muestran una buena aceptación general del ECA y posibles líneas de trabajo futuro. Los resultados obtenidos en dicha evaluación están actualmente en proceso de revisión para su publicación en la revista Journal for Universal Computer Science [Pérez et al., 2017a] y un resumen de ellos ha sido enviado al congreso IVA’17 [Pérez et al., 2017b].
  
  3. Publicaciones La realización de esta tesis doctoral ha permitido la elaboración de los siguientes artículos:
  
  3.1. Publicados Joaquín Pérez, Eva Cerezo, Francisco José Serón y Luis-Felipe Rodríguez. A Cognitive- Affective Architecture for ECAs. Biologically Inspired Cognitive Architectures Journal, 2016. Q4 según el ranking Journal Citation Reports (JCR). DOI http://dx.doi.org/10. 1016/j.bica.2016.10.002. Fue previamente presentado en la International Conference on Biologically Inspired Cognitive Architectures (BICA 2016).
  
  Joaquín Pérez, Eva Cerezo y Francisco José Serón. E-VOX: A Socially Enhanced Semantic ECA. DAA ’16: Proceedings of the International Workshop on Social Learning and Multimodal Interaction for Designing Artificial Agents. Tokyo (Japan), 2016. Workshop asociado a la conferencia ICMI ’16: INTERNATIONAL CONFERENCE ON MULTIMODAL INTERACTION, la cual es un CORE A. DOI http://doi.acm.org/10.1145/3005338.3005340.
  
  Joaquín Pérez, Francisco José Serón y Eva Cerezo. Combining Cognition and Emotion in Virtual Agents. Kybernetes Journal, 2017 (aceptado para su publicación). Q4 según el ranking Journal Citation Reports (JCR).
  
  3.2. En proceso de revisión Joaquín Pérez, Eva Cerezo y Francisco José Serón. Design and Evaluation of an ECA with a Cognitive-Affective Architecture. Journal for Universal Computer Science. Q4 según el ranking Journal Citation Reports (JCR).
  
  Joaquín Pérez, Yanet Sánchez, Francisco José Serón y Eva Cerezo. Evaluation of an Affective Semantic ECA. International Conference on Intelligent Virtual Agents (IVA 2017), la cual es un CORE B.
  
  Referencias Patrick Gebhard. A layered model of affect. In 4th International Joint Conference of Autonomous Agents & Multi-Agent Systems (AAMAS’05), pages 29–36. ACM Press, 2005.
  
  John E. Laird. The Soar Cognitive Architecture. The MIT Press, 2012. ISBN 0262122960, 9780262122962.
  
  Robert R. McCrae and Oliver P. John. An introduction to the five-factor model and its applications. Journal of Personality, 60(2):175–215, 1992. ISSN 1467-6494. doi: 10.1111/j.1467-6494. 1992.tb00970.x. URL http://dx.doi.org/10.1111/j.1467-6494.1992.tb00970.x.
  
  Albert Mehrabian. Pleasure-arousal-dominance: A general framework for describing and measuring individual differences in temperament. Current Psychology, 14(4):261–292, 1996. ISSN 0737-8262. doi: 10.1007/BF02686918. URL http://dx.doi.org/10.1007/BF02686918.
  
  Andrew Ortony, Allan Collins, and Gerald L. Clore. The cognitive structure of emotions. Cambridge University Press Cambridge [England] ; New York, pbk. ed. edition, 1988. ISBN 0521353645 0521386640. URL http://www.loc.gov/catdir/toc/cam026/87033757.html.
  
  Joaquín Pérez, Eva Cerezo, and Francisco José Serón. E-VOX: A socially enhanced semantic ECA. In Proceedings of the International Workshop on Social Learning and Multimodal Interaction for Designing Artificial Agents, DAA ’16, pages 2:1–2:6, New York, NY, USA, 2016a. ACM. ISBN 978-1-4503-4560-6. doi: 10.1145/3005338.3005340. URL http://doi.acm.org/10.1145/3005338.3005340.
  
  Joaquín Pérez, Eva Cerezo, Francisco José Serón, and Luis-Felipe Rodríguez. A cognitiveaffective architecture for ECAs. Biologically Inspired Cognitive Architectures, 18:33 – 40, 2016b. ISSN 2212-683X. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.bica.2016.10.002. URL http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212683X16300809.
  
  Joaquín Pérez, Eva Cerezo, and Francisco José Serón. Design and evaluation of an ECA with a cognitive-affective architecture. Journal for Computer Science (en proceso de revisión)), 2017a.
  
  Joaquín Pérez, Yanet Sánchez, Francisco José Serón, and Eva Cerezo. Evaluation of an affective semantic ECA. In International Conference on Intelligent Virtual Agents (IVA 2017) (en proceso de revisión), 2017b.
  
  Joaquín Pérez, Francisco José Serón, and Eva Cerezo. Combining cognition and emotion in virtual agents. Kybernetes (aceptado para publicación), 2017c.