This thesis encompasses research on Artificial Intelligence in support of automating scientific discovery in the fields of biology and medicine. At the core of this research is the ongoing development of a general-purpose artificial intelligence framework emulating various facets of human-level intelligence necessary for building cross-domain knowledge that may lead to new insights and discoveries. To learn and build models in a data-driven manner, we develop a general-purpose learning framework called Syntactic Nonparametric Analysis of Complex Systems (SYNACX), which uses tools from Bayesian nonparametric inference to learn the statistical and syntactic properties of biological phenomena from sequence data. We show that the models learned by SYNACX offer performance comparable to that of standard neural network architectures. For complex biological systems or processes consisting of several heterogeneous components with spatio-temporal interdependencies across multiple scales, learning frameworks like SYNACX can become unwieldy due to the the resultant combinatorial complexity. Thus we also investigate ways to robustly reduce data dimensionality by introducing a new data abstraction. In particular, we extend traditional string and graph grammars in a new modeling formalism which we call Simplicial Grammar. This formalism integrates the topological properties of the simplicial complex with the expressive power of stochastic grammars in a computation abstraction with which we can decompose complex system behavior, into a finite set of modular grammar rules which parsimoniously describe the spatial/temporal structure and dynamics of patterns inferred from sequence data.

[EN] The stupefying success of Artificial Intelligence (AI) for specific problems, from recommender systems to self-driving cars, has not yet been matched with a similar progress in general AI systems, coping with a variety of problems. This dissertation deals with the long-standing problem of creating more general AI systems, through the analysis of their development and the evaluation of their cognitive abilities. Firstly, this thesis contributes with a general-purpose learning system that meets several desirable characteristics in terms of expressiveness, comprehensibility and versatility. The system works with approaches that are inherently general: inductive programming and reinforcement learning. The system does not rely on a fixed library of learning operators, but can be endowed with new ones, so being able to operate in a wide variety of contexts. This flexibility, jointly with its declarative character, makes it possible to use the system as an instrument for better understanding the role (and difficulty) of the constructs that each task requires. The learning process is also overhauled with a new developmental and lifelong approach for knowledge acquisition, consolidation and forgetting, which is necessary when bounded resources (memory and time) are considered. Secondly, this thesis analyses whether the use of intelligence tests for AI evaluation is a much better alternative to most task-oriented evaluation approaches in AI. Accordingly, we make a review of what has been done when AI systems have been confronted against tasks taken from intelligence tests. In this regard, we scrutinise what intelligence tests measure in machines, whether they are useful to evaluate AI systems, whether they are really challenging problems, and whether they are useful to understand (human) intelligence. Finally, the analysis of the concepts of development and incremental learning in AI systems is done at the conceptual level but also through several of these intelligence tests, providing further insight for the understanding and construction of general-purpose developing AI systems. / [ES] El éxito abrumador de la Inteligencia Artificial (IA) en la resolución de tareas específicas (desde sistemas de recomendación hasta vehículos de conducción autónoma) no ha sido aún igualado con un avance similar en sistemas de IA de carácter más general enfocados en la resolución de una mayor variedad de tareas. Esta tesis aborda la creación de sistemas de IA de propósito general así como el análisis y evaluación tanto de su desarrollo como de sus capacidades cognitivas. En primer lugar, esta tesis contribuye con un sistema de aprendizaje de propósito general que reúne distintas ventajas como expresividad, comprensibilidad y versatilidad. El sistema está basado en aproximaciones de carácter inherentemente general: programación inductiva y aprendizaje por refuerzo. Además, dicho sistema se basa en una biblioteca dinámica de operadores de aprendizaje por lo que es capaz de operar en una amplia variedad de contextos. Esta flexibilidad, junto con su carácter declarativo, hace que sea posible utilizar el sistema de forma instrumental con el objetivo de facilitar la comprensión de las distintas construcciones que cada tarea requiere para ser resuelta. Por último, el proceso de aprendizaje también se revisa por medio de un enfoque evolutivo e incremental de adquisición, consolidación y olvido de conocimiento, necesario cuando se trabaja con recursos limitados (memoria y tiempo). En segundo lugar, esta tesis analiza el uso de tests de inteligencia humana para la evaluación de sistemas de IA y plantea si su uso puede constituir una alternativa válida a los enfoques actuales de evaluación de IA (más orientados a tareas). Para ello se realiza una exhaustiva revisión bibliográfica de aquellos sistemas de IA que han sido utilizados para la resolución de este tipo de problemas. Esto ha permitido analizar qué miden realmente los tests de inteligencia en los sistemas de IA, si son significativos para su evaluación, si realmente constituyen problemas complejos y, por último, si son útiles para entender la inteligencia (humana). Finalmente se analizan los conceptos de desarrollo cognitivo y aprendizaje incremental en sistemas de IA no solo a nivel conceptual, sino también por medio de estos problemas mejorando por tanto la comprensión y construcción de sistemas de propósito general evolutivos. / [CAT] L'èxit aclaparant de la Intel·ligència Artificial (IA) en la resolució de tasques específiques (des de sistemes de recomanació fins a vehicles de conducció autònoma) no ha sigut encara igualat amb un avanç similar en sistemes de IA de caràcter més general enfocats en la resolució d'una major varietat de tasques. Aquesta tesi aborda la creació de sistemes de IA de propòsit general així com l'anàlisi i avaluació tant del seu desenvolupament com de les seues capacitats cognitives. En primer lloc, aquesta tesi contribueix amb un sistema d'aprenentatge de propòsit general que reuneix diferents avantatges com ara expressivitat, comprensibilitat i versatilitat. El sistema està basat en aproximacions de caràcter inherentment general: programació inductiva i aprenentatge per reforç. A més, el sistema utilitza una biblioteca dinàmica d'operadors d'aprenentatge pel que és capaç d'operar en una àmplia varietat de contextos. Aquesta flexibilitat, juntament amb el seu caràcter declaratiu, fa que siga possible utilitzar el sistema de forma instrumental amb l'objectiu de facilitar la comprensió de les diferents construccions que cada tasca requereix per a ser resolta. Finalment, el procés d'aprenentatge també és revisat mitjançant un enfocament evolutiu i incremental d'adquisició, consolidació i oblit de coneixement, necessari quan es treballa amb recursos limitats (memòria i temps). En segon lloc, aquesta tesi analitza l'ús de tests d'intel·ligència humana per a l'avaluació de sistemes de IA i planteja si el seu ús pot constituir una alternativa vàlida als enfocaments actuals d'avaluació de IA (més orientats a tasques). Amb aquesta finalitat, es realitza una exhaustiva revisió bibliogràfica d'aquells sistemes de IA que han sigut utilitzats per a la resolució d'aquest tipus de problemes. Açò ha permès analitzar què mesuren realment els tests d'intel·ligència en els sistemes de IA, si són significatius per a la seua avaluació, si realment constitueixen problemes complexos i, finalment, si són útils per a entendre la intel·ligència (humana). Finalment s'analitzen els conceptes de desenvolupament cognitiu i aprenentatge incremental en sistemes de IA no solament a nivell conceptual, sinó també per mitjà d'aquests problemes millorant per tant la comprensió i construcció de sistemes de propòsit general evolutius. / Martínez Plumed, F. (2016). Incremental and developmental perspectives for general-purpose learning systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/67269 / TESIS

The primary goal of artificial intelligence research is to develop a machine capable of learning to solve disparate real-world tasks autonomously, without relying on specialized problem-specific inputs. This dissertation suggests that such machines are realistic: If No Free Lunch theorems were to apply to all real-world problems, then the world would be utterly unpredictable. In response, the dissertation proposes the information-maximization principle, which claims that the optimal optimization methods make the best use of the information available to them. This principle results in a new algorithm, evolutionary annealing, which is shown to perform well especially in challenging problems with irregular structure. / text

[ES] El proceso de ciencia de datos es esencial para extraer valor de los datos. Sin embargo, la parte más tediosa del proceso, la preparación de los datos, implica una serie de formateos, limpieza e identificación de problemas que principalmente son tareas manuales. La preparación de datos todavía se resiste a la automatización en parte porque el problema depende en gran medida de la información del dominio, que se convierte en un cuello de botella para los sistemas de última generación a medida que aumenta la diversidad de dominios, formatos y estructuras de los datos. En esta tesis nos enfocamos en generar algoritmos que aprovechen el conocimiento del dominio para la automatización de partes del proceso de preparación de datos. Mostramos la forma en que las técnicas generales de inducción de programas, en lugar de los lenguajes específicos del dominio, se pueden aplicar de manera flexible a problemas donde el conocimiento es importante, mediante el uso dinámico de conocimiento específico del dominio. De manera más general, sostenemos que una combinación de enfoques de aprendizaje dinámicos y basados en conocimiento puede conducir a buenas soluciones. Proponemos varias estrategias para seleccionar o construir automáticamente el conocimiento previo apropiado en varios escenarios de preparación de datos. La idea principal se basa en elegir las mejores primitivas especializadas de acuerdo con el contexto del problema particular a resolver. Abordamos dos escenarios. En el primero, manejamos datos personales (nombres, fechas, teléfonos, etc.) que se presentan en formatos de cadena de texto muy diferentes y deben ser transformados a un formato unificado. El problema es cómo construir una transformación compositiva a partir de un gran conjunto de primitivas en el dominio (por ejemplo, manejar meses, años, días de la semana, etc.). Desarrollamos un sistema (BK-ADAPT) que guía la búsqueda a través del conocimiento previo extrayendo varias meta-características de los ejemplos que caracterizan el dominio de la columna. En el segundo escenario, nos enfrentamos a la transformación de matrices de datos en lenguajes de programación genéricos como R, utilizando como ejemplos una matriz de entrada y algunas celdas de la matriz de salida. También desarrollamos un sistema guiado por una búsqueda basada en árboles (AUTOMAT[R]IX) que usa varias restricciones, probabilidades previas para las primitivas y sugerencias textuales, para aprender eficientemente las transformaciones. Con estos sistemas, mostramos que la combinación de programación inductiva, con la selección dinámica de las primitivas apropiadas a partir del conocimiento previo, es capaz de mejorar los resultados de otras herramientas actuales específicas para la preparación de datos. / [CA] El procés de ciència de dades és essencial per extraure valor de les dades. No obstant això, la part més tediosa del procés, la preparació de les dades, implica una sèrie de transformacions, neteja i identificació de problemes que principalment són tasques manuals. La preparació de dades encara es resisteix a l'automatització en part perquè el problema depén en gran manera de la informació del domini, que es converteix en un coll de botella per als sistemes d'última generació a mesura que augmenta la diversitat de dominis, formats i estructures de les dades. En aquesta tesi ens enfoquem a generar algorismes que aprofiten el coneixement del domini per a l'automatització de parts del procés de preparació de dades. Mostrem la forma en què les tècniques generals d'inducció de programes, en lloc dels llenguatges específics del domini, es poden aplicar de manera flexible a problemes on el coneixement és important, mitjançant l'ús dinàmic de coneixement específic del domini. De manera més general, sostenim que una combinació d'enfocaments d'aprenentatge dinàmics i basats en coneixement pot conduir a les bones solucions. Proposem diverses estratègies per seleccionar o construir automàticament el coneixement previ apropiat en diversos escenaris de preparació de dades. La idea principal es basa a triar les millors primitives especialitzades d'acord amb el context del problema particular a resoldre. Abordem dos escenaris. En el primer, manegem dades personals (noms, dates, telèfons, etc.) que es presenten en formats de cadena de text molt diferents i han de ser transformats a un format unificat. El problema és com construir una transformació compositiva a partir d'un gran conjunt de primitives en el domini (per exemple, manejar mesos, anys, dies de la setmana, etc.). Desenvolupem un sistema (BK-ADAPT) que guia la cerca a través del coneixement previ extraient diverses meta-característiques dels exemples que caracteritzen el domini de la columna. En el segon escenari, ens enfrontem a la transformació de matrius de dades en llenguatges de programació genèrics com a R, utilitzant com a exemples una matriu d'entrada i algunes dades de la matriu d'eixida. També desenvolupem un sistema guiat per una cerca basada en arbres (AUTOMAT[R]IX) que usa diverses restriccions, probabilitats prèvies per a les primitives i suggeriments textuals, per aprendre eficientment les transformacions. Amb aquests sistemes, mostrem que la combinació de programació inductiva amb la selecció dinàmica de les primitives apropiades a partir del coneixement previ, és capaç de millorar els resultats d'altres enfocaments de preparació de dades d'última generació i més específics. / [EN] Data science is essential for the extraction of value from data. However, the most tedious part of the process, data wrangling, implies a range of mostly manual formatting, identification and cleansing manipulations. Data wrangling still resists automation partly because the problem strongly depends on domain information, which becomes a bottleneck for state-of-the-art systems as the diversity of domains, formats and structures of the data increases. In this thesis we focus on generating algorithms that take advantage of the domain knowledge for the automation of parts of the data wrangling process. We illustrate the way in which general program induction techniques, instead of domain-specific languages, can be applied flexibly to problems where knowledge is important, through the dynamic use of domain-specific knowledge. More generally, we argue that a combination of knowledge-based and dynamic learning approaches leads to successful solutions. We propose several strategies to automatically select or construct the appropriate background knowledge for several data wrangling scenarios. The key idea is based on choosing the best specialised background primitives according to the context of the particular problem to solve. We address two scenarios. In the first one, we handle personal data (names, dates, telephone numbers, etc.) that are presented in very different string formats and have to be transformed into a unified format. The problem is how to build a compositional transformation from a large set of primitives in the domain (e.g., handling months, years, days of the week, etc.). We develop a system (BK-ADAPT) that guides the search through the background knowledge by extracting several meta-features from the examples characterising the column domain. In the second scenario, we face the transformation of data matrices in generic programming languages such as R, using an input matrix and some cells of the output matrix as examples. We also develop a system guided by a tree-based search (AUTOMAT[R]IX) that uses several constraints, prior primitive probabilities and textual hints to efficiently learn the transformations. With these systems, we show that the combination of inductive programming with the dynamic selection of the appropriate primitives from the background knowledge is able to improve the results of other state-of-the-art and more specific data wrangling approaches. / This research was supported by the Spanish MECD Grant FPU15/03219;and partially by the Spanish MINECO TIN2015-69175-C4-1-R (Lobass) and RTI2018-094403-B-C32-AR (FreeTech) in Spain; and by the ERC Advanced Grant Synthesising Inductive Data Models (Synth) in Belgium. / Contreras Ochando, L. (2020). Towards Data Wrangling Automation through Dynamically-Selected Background Knowledge [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160724 / TESIS