MENTAL, un Lenguaje de Inteligencia Artificial

MENTAL, UN LENGUAJE
DE INTELIGENCIA
ARTIFICIAL

Más allá de Lisp y Prolog
“Lisp es el mejor lenguaje de programación jamás diseñado” (Alan Key)

“John McCarthy hizo por la programación algo parecido a lo que Euclides hizo por la geometría” (Paul Graham)

Las Lenguajes de Inteligencia Artificial
En Inteligencia Artificial (IA) ha habido una larga polémica sobre cual era el lenguaje más adecuado para desarrollar aplicaciones, sobre todo sistemas expertos. El debate se centró básicamente entre “Lispistas” y “Prologistas”, es decir, los seguidores o partidarios de los lenguajes Lisp y Prolog, respectivamente.

Lisp es un lenguaje funcional. En Lisp hay que expresar el “como”, el detalle, el paso a paso, a nivel funcional.
Prolog es un lenguaje lógico declarativo, basado en reglas. En Prolog hay que expresar el “qué”, lo que sabemos.

El Lenguaje Lisp
In 1960, John McCarthy publicó un notable artículo [McCarthy, 1960] en el que axiomatizó la programación. Era un ejercicio teórico, un intento de crear una alternativa más elegante a la máquina de Turing. Demostró que era posible construir un lenguaje de programación a partir de un conjunto de funciones simples. Denominó a este lenguaje “Lisp”, por “List Processing” porque el lenguaje usaba solo una estructura de datos para almacenar datos y código: la lista. Lisp es el segundo lenguaje de programación más antiguo que existe (después del Fortran). Es considerado el lenguaje de alto nivel más flexible que existe [Wiston, 1984].

Lisp incorporaba 9 nuevas ideas:

Condicionales.
Un condicional es una estructura “if-then-else”. Hoy día lo vemos natural, pero en su día el Fortran (el lenguaje de aquella época) tenía solo un “goto” condicional. Esta estructura se difundió rápidamente en otros lenguajes.
El tipo función.
Las funciones en Lisp son los objetos principales. Son un tipo de datos, como los enteros, las cadenas de caracteres (strings), etc. Al representarse en listas, se pueden almacenar en variables, modificarlas, pasarlas como argumentos, etc.
Recursion.
La recursión existía como concepto matemático antes de la aparición de Lisp, pero Lisp fue el primer lenguaje de programación en implementarlo.
Un nuevo concepto de variables.
En Lisp, todas las variables son punteros (direcciones). Los valores tienen tipos, pero no las variables. Asignar o ligar variables significa copiar punteros, no el contenido al que apuntan.
Recogida de basura (garbage collection).
Es un mecanismo de gestión de la memoria de trabajo: para reserva, liberación y compactación de espacios de memoria.
Los programas se componen de expresiones simbólicas (S-expresions).
Los programas Lisp son árboles de expresiones, cada una de las cuales retorna un valor (o varios valores). Esto contrastaba con otros lenguajes que distinguían entre expresiones y sentencias, y donde no se podían anidar sentencias. Esta limitación desapareció más tarde con la aparición de los lenguajes estructurados.
El lenguaje completo está siempre disponible.
No hay distinción entre tiempo real, tiempo de compilación y tiempo de ejecución. Se puede compilar o ejecutar mientras se lee, leer o ejecutar mientras se compila, y leer o compilar en tiempo de ejecución.

La ejecución de código en tiempo de lectura permite a los usuarios de Lisp modificar la sintaxis de Lisp. Ejecutar código en tiempo de compilación es la base de las macros. Compilar en tiempo de ejecución es la base del uso de Lisp como un lenguaje de extensión en programas como Emacs. Leer en tiempo de ejecución permite a los programas comunicar mediante expresiones simbólicas (S-expresions), una idea reinventada como XML.

Cuando Lisp nació, se presentó como un liberador de ciertas restricciones de los lenguajes convencionales, ofreciendo aspectos inéditos, incluyendo mecanismos genéricos:

Un lenguaje matemático basado en la teoría de las funciones recursivas. Lisp fue el primer lenguaje de programación que permitía definir funciones recursivas.
Un lenguaje de programación orientado al proceso simbólico, además del proceso numérico clásico.
Una estructura genérica para representar datos e instrucciones: la lista, que es a la vez versátil y flexible.

La lista se compone de elementos que pueden ser átomos u otras listas.

La lista es una estructura genérica porque con ella es posible construir cualquier otra estructura de datos: árbol, pila, tabla, etc.
Se basa en un conjunto de primitivas. Lisp 1.5 contenía 100 primitivas.
Un mecanismo de selección (aplicado a una lista) basado únicamente en dos mecanismos genéricos:
- CAR (selección del primer elemento de la lista).
- CDR (selección de la lista excluido el primer elemento).
Por aplicación sucesiva de estos dos mecanismos es posible seleccionar cualquier elemento o sublista.
Frente a la programación convencional, que tiene un sistema de almacenamiento estático, los elementos manejados por Lisp (átomos y listas) cambian de forma dinámica durante la ejecución.
Los programas pueden automodificarse.
Permite metaprogramación, es decir, un programa Lisp puede generar otro programa Lisp.
Supera el mecanismo clásico implantado en las llamadas, que no son ni por referencia ni por valor. La llamada por referencia (transmitiendo la dirección del argumento) puede conducir a errores y a efectos laterales. La llamada por valor implica copiar (duplicar) la información.

Lisp sigue una filosofía de tratamiento no destructivo de los argumentos, de modo que las funciones devuelven siempre una lista como resultado.

Crítica

Se nota que la concepción básica de Lisp tuvo lugar hace más de 50 años. Hay toda una serie de inconvenientes, desventajas e inconsistencias. Algunas de ellas son:

Se utiliza el mismo símbolo (NIL, nulo) para tres conceptos diferentes, lo que supone una inconsistencia: para el elemento vacío, para la lista vacía y para el valor booleano "falso".
No se especifican claramente cuales son las funciones básicas o primitivas y cuales las derivadas. Además hay demasiadas funciones disponibles. Por ejemplo, InterLisp [Teitelman, 1978], que es un entorno completo de desarrollo de Lisp, dispone de más de 2000 funciones.
Además de las listas normales, existen listas especiales:
- Listas de asociación.
  Son listas en las que cada elemento es un par de elementos separados por un punto (clave.dato).
- Listas de propiedades.
  Son parecidas conceptualmente a las listas de asociación. Una propiedad es un par atributo-valor.
En estas listas no es posible utilizar las operaciones genéricas CAR y CDR. Existen funciones específicas de manejo de este tipo de listas. Esto implica un aprendizaje adicional.
Tipos de datos.
Aunque la lista es una forma universal que permite representar cualquier estructura de datos, por razones de comodidad se han creado nuevos tipos (en el Lisp original no existían tipos): arrays, tablas hash, cadenas de caracteres, vectores, estructuras, paquetes, bit-vectors y pathnames.

Todos estos tipos de datos obligan al programador a aprender nuevas instrucciones de definición, acceso y manipulación.

Además hay tipos de datos redundantes (vector y lista) y un tipo de datos no modificable: la estructura, que es similar al registro en PASCAL.
Gap semántico.
Es necesario una adaptación mental al modelo del lenguaje. En particular hay que tener una "imagen mental" de como se implementan las listas (las normales y las especiales) para su correcto acceso y manipulación.

Lisp no es, ni mucho menos, el lenguaje del pensamiento. "Hay un abismo entre la capacidad del lenguaje Lisp y el modelo de la mente humana" [Hofstadter, 1987].
Separación del paradigma funcional.
El Lisp original presentado por John McCarthy era completamente funcional. Sin embargo, con el fin de proporcionar una ejecución eficiente, las versiones actuales de Lisp han introducido características no funcionales en el lenguaje, pero ello a costa de producir efectos laterales y de caer en definitiva en el modelo Von Neumann, del que se quería huir.

Aunque es posible usar Lisp como lenguaje funcional, la práctica indica que son muy pocas las aplicaciones desarrolladas en un estilo funcional "puro". Casi toda la programación hecha hoy es de naturaleza imperativa.

Algunas de las características no funcionales son:
- La función SET.
  Es el equivalente funcional de una sentencia de asignación, introduciendo así el concepto de variables.
- La función PROG.
  Es una función cuyos argumentos son una lista de expresiones simbólicas y que son ejecutadas en secuencia. Se pueden usar también etiquetas y sentencias goto para el control explícito de la secuencia de ejecución. Las aplicaciones construidas con esta función estarían orientadas a sentencias, no a funciones.
No admite reglas (expresiones genéricas).
No contempla conjuntos ni operaciones con conjuntos.
No soporta paralelismo.

El Lenguaje Prolog
Prolog (Programming in Logic) es un lenguaje de programación declarativa mediante reglas lógicas.

Utiliza el llamado “principio de resolución”, un principio propuesto en 1965 por John Alan Robinson, que utiliza una regla de inferencia que permite deducir nuevas relaciones a partir de una base de conocimientos formada por hechos y reglas. Permite, por ejemplo, demostrar un teorema de manera automática. Este principio fue el fundamento de la programación lógica.

Prolog fue creado en 1970 por Robert Kovalsky (la teoría), Maarten van Emdem (el modelo experimental), ambos de la Universidad de Edimburgo, y Alain Colmerauer (la implementación), de la Universidad de Marsella. La sintaxis propuesta por Kowalsky se considera el estándar de facto de la programación lógica. Lenguaje declarativo quiere decir que declaramos todo lo que sabemos: los hechos y las reglas, que forman la base de conocimientos.

En los años 1980s tuvo una gran difusión por todo el mundo, especialmente cuando los japoneses decidieron utilizarlo para el desarrollo de los ordenadores de quinta generación.

Micro-Prolog es una versión de Prolog para ordenadores personales y popularizado en los años 1980s. Es un Prolog simplificado que se basa en listas, como Lisp,

Existen versiones de Prolog programadas en Lisp. En [Boizumault, 1993] aparece el código fuente Lisp de un intérprete de Micro-Prolog II. El libro de Peter Norvig [1991] dedica un tercio del libro a cómo implementar Prolog en Lisp.

MENTAL, Más Allá de Lisp y Prolog
MENTAL es un lenguaje que integra las características esenciales de Lisp y Prolog. A pesar de su pequeño tamaño, MENTAL es enormemente más potente que Lisp y Prolog juntos, precisamente porque se basa en arquetipos primarios. Va más allá de la programación imperativa y declarativa. Y es enormemente más sencillo, genérico y con más posibilidades. Permite especificar bases de conocimientos tipo Prolog (basadas en hechos y reglas), pero también permite establecer relaciones de todo tipo.

MENTAL se basa en axiomas semánticos universales. Es la verdadera y completa axiomatización de la realidad interna y externa.

El lenguaje Lisp lo podemos asociar al modo de conciencia del hemisferio izquierdo y Prolog al modo del hemisferio derecho. Por lo tanto, MENTAL integra ambos modos de conciencia. Une el “qué” y el “cómo”.
La IA intenta verter luz sobre la naturaleza de la inteligencia humana. Busca también la generalidad y la abstracción. Estas son precisamente las características de MENTAL, por lo que este lenguaje es muy adecuado para la IA.
Une la IA fuerte (emulación de una mente) y la IA débil (simulación de una mente).
Permite reglas y meta-reglas, parametrizadas o no.
Las aplicaciones pueden modificarse a sí mismas.
Permite codificar conocimiento dinámico.
Permite desarrollar aplicaciones de bajo y alto nivel.
Su flexibilidad es total, mucho mayor que Lisp.
El paradigma es universal, es el paradigma de la mente, pues se basa en grados de libertad.
Permite cálculo numérico y simbólico.
Permite realizar inferencias automáticas.
Soporta todo tipo de relaciones.
Permite desarrollar fácilmente aplicaciones de IA, incluyendo las de aprendizaje automático mediante el uso de meta-reglas de aprendizaje, reglas que generan reglas.

Algunas funciones de Lisp en MENTAL

CAR (devuelve el primer elemento de una lista):
⟨( (CAR x) = x\1 )⟩
(CAR abc) // ev. a
CDR (devuelve una lista sin el primer elemento):
⟨( (CDR x) = (x ∪' x\1) )⟩ (CDR abc) // ev. bc
CONS (añade un elemento al principio de una lista):
⟨( (CONS u x) = (u ∪ x) )⟩ (CONS u abc) // ev. uabc
LIST (construye una lista a partir de sus elementos):
⟨( (LIST x1…xn) = (x1…xn) )⟩ (LIST a b c d) // ev. abcd
SETQ (evita la evaluación de un argumento):
⟨( (SETQ x) = x° )⟩ (SETQ abc) // ev. abc

Bibliografía

Boizomault, Patrice. The implementation of Prolog. Princeton University Press, 1993.
Hawkins, Jeff; Blakeslee, Sandra. On Intelligence. Holt Paperbacks, 2005.
Hofstadter, Douglas R. Gödel, Escher, Bach. Un Eterno y Grácil Bucle. Tusquets Editores, 1987.
McCarthy, John. Recursive Functions of symbolic expressions and their computation by machine. Communications of the ACM 3(4): 184-195, Abril 1960. Disponible en Internet.
Norvig, Peter. Paradigms of Artificial Intelligence Programming. Case Studies in Common Lisp. Morgan Kaufmann, 1991.
Russell, Stuart; Norvig, Peter. Artificial Intelligence: A Modern Approach. Prentice Hall, 2009.
Teitelman, Warren. The InterLISP Reference Manual. Xerox Palo Alto Research Center, 1978.
Winston, Patrick Henry; Horn, Berthold Klaus Paul. LISP. Addison-Wesley, 1984.