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Reinforcement Learning (Parte 1/2): Innovaciones y Aplicaciones en la Industria

Alejandro López

Científico de Datos

En esta primera parte, exploraremos el fascinante mundo del Reinforcement Learning (RL) o aprendizaje por refuerzo, sus ventajas, y algunas de sus aplicaciones más innovadoras en diversos campos como la conducción autónoma, la robótica, el marketing personalizado y los videojuegos.

El RL es una rama del Machine Learning (ML) o aprendizaje automático, que se caracteriza por su capacidad de aprender y adaptarse a través de la interacción con el entorno.

Esta visión general nos permitirá comprender cómo el RL puede superar las limitaciones de otros métodos de Machine Learning. En la segunda parte, nos centraremos en los aspectos más técnicos, explicando en detalle los componentes fundamentales del RL y los algoritmos más utilizados en esta disciplina.

¿Por qué el Reinforcement Learning?

La inteligencia artificial (IA) está cada vez más presente en nuestra vida diaria, desde la forma en que interactuamos con nuestros dispositivos hasta cómo se toman decisiones en diversas industrias. A grandes rasgos, la IA se refiere a sistemas o máquinas que imitan la inteligencia humana para realizar tareas y mejorar con la experiencia.

Una rama clave de la IA es el Machine Learning, que desarrolla algoritmos que permiten a las máquinas aprender a partir de datos. Sin embargo, los métodos tradicionales de ML tienen algunas limitaciones. Necesitan muchos datos específicos y clasificados previamente (datos etiquetados), funcionan bien solo en situaciones predefinidas y no pueden adaptarse fácilmente a cambios inesperados o nuevos entornos.

Es aquí donde el Reinforcement Learning (RL) destaca por su capacidad para adaptarse y desenvolverse en entornos dinámicos y complejos, aprendiendo en base a la interacción y maximizando los resultados a largo plazo.

Por ejemplo, en la conducción autónoma, el RL permite a los vehículos aprender a navegar por su entorno y tomar decisiones de conducción al aprender continuamente de experiencias reales. En robótica, se usa el RL para que los robots aprendan desde tareas sencillas, como coger y manipular objetos, hasta tareas más complicadas, como navegar por entornos complicados con eficacia y precisión. En el mundo de los videojuegos y los juegos de mesa, los algoritmos de RL aprenden a jugar a juegos complejos como el ajedrez o el Go, llegando incluso a superar a jugadores profesionales.

Estas son tan solo algunas de las innovaciones que demuestran cómo el Reinforcement Learning puede abordar tareas complejas y adaptarse a entornos dinámicos, destacando su aplicabilidad en diversas industrias.

¿Qué es el Reinforcement Learning?

Imagina que estás enseñando a un perro a realizar trucos. Cuando le pides que se siente y lo hace correctamente, le das una golosina como recompensa. Si el perro no se sienta, no recibe ninguna golosina. Con el tiempo, el perro aprende qué acciones le dan recompensas y cuáles no, ajustando su comportamiento para maximizar la cantidad de golosinas que recibe.

El Reinforcement Learning funciona de manera similar: es una rama del Machine Learning que entrena a un agente (en este caso, el perro) para que tome decisiones en su entorno y optimice las recompensas acumuladas (las golosinas).

Este método se basa en la interacción: el agente toma decisiones, recibe recompensas o penalizaciones según sus acciones y ajusta su comportamiento en consecuencia. Esta metodología, que replica el proceso de aprendizaje por ensayo y error utilizado por los humanos, permite a los agentes aprender de manera autónoma y adaptativa, mejorando su desempeño con el tiempo.

Para entender mejor cómo funciona el Reinforcement Learning en una situación real, consideremos el ejemplo de un coche autónomo. Al principio, el coche tiene una comprensión básica de su entorno y sus reglas, como mantenerse en el carril y respetar las señales de tráfico. Durante la fase de entrenamiento, el coche realiza miles de simulaciones de conducción. Si el coche realiza una acción correcta, como frenar ante un semáforo en rojo, recibe una recompensa en forma de datos positivos. Si comete un error, como no detenerse ante un peatón, recibe una penalización.

Con el tiempo, el coche ajusta sus decisiones para maximizar las recompensas y minimizar las penalizaciones. Este proceso se repite en muchas simulaciones y, eventualmente, en pruebas del mundo real. A lo largo de semanas y meses, el coche autónomo mejora su capacidad para navegar de manera segura y eficiente en diferentes entornos, aprendiendo a reaccionar a situaciones inesperadas, como cambios bruscos en el tráfico o condiciones climáticas adversas. Este aprendizaje continuo y adaptativo es lo que hace al Reinforcement Learning especialmente potente para tareas dinámicas y complejas.

¿Cuáles son sus ventajas?

El uso del Reinforcement Learning tiene numerosas ventajas.

Como acabamos de ver, sobresale en entornos complejos con muchas reglas, ya que los modelos se adaptan y reaccionan rápidamente a cambios en entornos dinámicos, encontrando nuevas estrategias para maximizar los resultados.

Además, el RL se centra en maximizar las recompensas a largo plazo, lo que lo hace especialmente útil en escenarios donde las acciones tienen consecuencias prolongadas. Volviendo al ejemplo de la conducción autónoma, un coche entrenado con RL no solo aprende a frenar en un semáforo en rojo, sino que también optimiza su ruta para minimizar el tiempo de viaje y el consumo de combustible a lo largo de todo el trayecto.

Por último, a diferencia de los algoritmos de Machine Learning tradicionales, el Reinforcement Learning no necesita etiquetas en los datos. En los métodos tradicionales, los datos de entrada deben tener una salida definida, como en un conjunto de imágenes de gatos y perros donde cada imagen está etiquetada correctamente como «gato» o «perro». En cambio, en el Reinforcement Learning, el modelo es capaz de aprender por sí mismo a partir de la interacción con el entorno, lo que reduce la necesidad de intervención humana para entrenarlo.

Aplicaciones clave del Reinforcement Learning

Vehículos autónomos

El RL ayuda a los vehículos autónomos a aprender a navegar y tomar decisiones de conducción mediante el aprendizaje continuo de experiencias reales. Por ejemplo, los coches Tesla utilizan RL junto con otras técnicas de Machine Learning para mejorar su sistema de conducción autónoma. Estos vehículos recogen datos de millones de kilómetros conducidos por sus usuarios, lo que permite al sistema aprender de muchas situaciones de tráfico reales y ajustar sus algoritmos en tiempo real.

Como resultado, los vehículos pueden adaptarse eficazmente a nuevas situaciones y condiciones cambiantes en la carretera, como la presencia de peatones imprevistos o condiciones climáticas adversas.

Robótica

Los robots utilizan RL para aprender a realizar tareas como coger objetos o navegar por entornos mediante prueba y error. Por ejemplo, los robots de Boston Dynamics emplean RL para mejorar su equilibrio y movilidad, permitiéndoles realizar tareas complejas como abrir puertas, caminar sobre terrenos irregulares con precisión o… ¡incluso pueden ejecutar acrobacias!

Otro ejemplo son los robots de Amazon, que utilizan RL para optimizar el proceso de recogida y colocación de productos en los centros de distribución. En el siguiente vídeo, podrás ver cómo estos robots trabajan con precisión y eficiencia.

Marketing personalizado

El RL se utiliza también para optimizar las recomendaciones de productos y ofertas para los clientes. Por ejemplo, algunas plataformas como Amazon y Netflix usan RL para analizar el comportamiento del usuario y ajustar continuamente las sugerencias de productos o contenido.

Spotify utiliza RL para crear listas de reproducción personalizadas y sugerir nuevas canciones a los usuarios a partir de sus hábitos de escucha y preferencias musicales. Si la canción que te recomienda Spotify te gusta y le das al signo ‘+’, estarías recompensado al algoritmo por su buen trabajo. Si por el contrario no te gusta y pasas a la siguiente canción o le das al signo ‘-‘, estarías penalizándolo.

Captura de pantalla de Spotify, mostrando las canciones recomendadas y los símbolos ‘+’ y ‘-‘ para indicar si te gusta la canción o no, que alimentan el sistema de RL.

Plataformas de publicidad como Google Ads también utilizan RL para mostrar anuncios más relevantes basándose en el comportamiento del usuario en internet. Si te muestran un anuncio de algo que te interese y clicas en él, el algoritmo recibe una recompensa. Si no lo haces, recibe una penalización.

Videojuegos

Los algoritmos de RL aprenden a jugar a juegos complejos como el ajedrez o el Go jugando millones de partidas y ajustando sus estrategias. El caso más conocido es AlphaGo de Google DeepMind, que en 2015 venció al campeón mundial de Go, considerado el juego más difícil del mundo, tras un extenso entrenamiento y análisis de partidas.

Si os interesa el tema, os recomiendo que veáis el documental que cuenta la historia de AlphaGo, desde su creación hasta su partida real contra el campeón del mundo de Go. No solo es sumamente interesante, sino también emocionante y entretenido: Ver documental.

Integración del RL con IA Generativa y LLMs

Recientes avances han potenciado el RL mediante su integración con modelos de lenguaje de gran escala (LLMs), como el conocido ChatGPT desarrollado por OpenAI.

Un ejemplo de hace tan solo unos meses es el robot humanoide Figure 01 de Figure AI, que usa RL para aprender y mejorar sus capacidades motoras y de navegación a través de un proceso de ensayo y error. Mediante la integración de LLMs, se añade una capa adicional de inteligencia que permite al robot entender y responder a comandos de lenguaje natural.

Esto significa que no solo puede realizar tareas físicas con precisión, sino que también puede interactuar con humanos de una manera sorprendentemente intuitiva y fluida, como podréis observar en el siguiente vídeo.

En el vídeo, podemos apreciar como cuando le das una instrucción verbal, el LLM interpreta el comando y el RL ajusta las acciones del robot para cumplir con la tarea. Si le pides que te de algo de comer, el LLM entiende la solicitud y el RL permite al robot aprender la mejor manera de localizar, coger y darte una manzana. Esta relación entre RL y LLMs hace que Figure 01 sea un robot adaptable, capaz de comunicarse con humanos y de aprender de manera continua.

Diagrama del funcionamiento del Robot Figure 01. Fuente: https://favtutor.com/articles/figure-robot-openai-demo/

Conclusiones

En esta primera parte, hemos visto cómo el Reinforcement Learning (RL) proporciona una manera efectiva de aprender y adaptarse en entornos dinámicos y complejos. No solo por su capacidad de operar sin datos etiquetados, lo que reduce la necesidad de intervención humana en el entrenamiento, sino también por su enfoque en maximizar recompensas a largo plazo, lo que resulta especialmente ventajoso en escenarios donde las decisiones tienen consecuencias prolongadas.

Hemos explorado ejemplos concretos en los que el RL se utiliza para mejorar la eficiencia y la capacidad de adaptación, desde los coches autónomos que navegan en condiciones variables hasta los robots que aprenden a realizar tareas complejas a través de la interacción continua con su entorno. Además, la integración del RL con modelos de lenguaje de gran escala abre nuevas posibilidades para la creación de sistemas autónomos más inteligentes y adaptativos, capaces de interactuar con los humanos de manera más natural y eficiente.

En la segunda parte, profundizaremos en los aspectos técnicos del RL, explorando sus componentes clave, los procesos de decisión de Markov, el equilibrio entre exploración y explotación, y los distintos tipos de algoritmos de RL. Esta comprensión técnica nos permitirá apreciar mejor cómo se pueden abordar los desafíos actuales y maximizar el potencial del RL en diversas aplicaciones.

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