История искусственной жизни

Люди задумывались и пытались создать небиологическую жизнь на протяжении как минимум 3000 лет. Как видно из сказок от Пигмалиона до Франкенштейна , человечество уже давно заинтриговано концепцией искусственной жизни .

Предварительный компьютер

Самые ранние примеры искусственной жизни включают сложные автоматы, сконструированные с использованием пневматики , механики и/или гидравлики . Первые автоматы были задуманы в третьем и втором веках до нашей эры и продемонстрированы теоремами Героя Александрийского , которые включали сложные механические и гидравлические решения. Многие из его известных работ были включены в книгу «Пневматика» , которая также использовалась для конструирования машин до раннего Нового времени. В 1490 году Леонардо да Винчи также построил рыцаря в доспехах , который считается первым роботом-гуманоидом в западной цивилизации.

Другие ранние известные примеры включают аль- Джазари гуманоидных роботов . Этот арабский изобретатель однажды сконструировал группу автоматов, которым можно приказывать воспроизводить разные музыкальные произведения. Есть также случай с Жака де Вокансона , искусственной уткой выставленной в 1735 году, которая имела тысячи движущихся частей и была одной из первых, имитирующих биологическую систему. Сообщается, что утка могла есть, переваривать пищу, пить, крякать и плескаться в бассейне. Его выставляли по всей Европе, пока он не пришел в упадок.

В конце 1600-х годов, после заявлений Рене Декарта о том, что животных можно понимать как чисто физические машины, возрос интерес к вопросу о том, можно ли сконструировать машину, которая, как животное, могла бы производить потомство (самовоспроизводящаяся машина ). . После кульминации Британской промышленной революции в начале 1800-х годов и публикации книги Дарвина Чарльза «Происхождение видов» в 1859 году различные писатели конца 1800-х годов исследовали идею о том, что возможно создать машины, которые могли бы не только самовоспроизводятся, но также развиваются и становятся все более умными.

Однако только с изобретением дешевой вычислительной мощности всерьез началась искусственная жизнь как законная наука, больше погруженная в теоретическую и вычислительную деятельность, чем в механическую и мифологическую.

1950–1970-е годы

Одним из первых мыслителей современности, постулировавших потенциал искусственной жизни, отделенной от искусственного интеллекта , был гений математики и компьютера Джон фон Нейман . На симпозиуме в Хиксоне , организованном Лайнусом Полингом в Пасадене, штат Калифорния , в конце 1940-х годов, фон Нейман прочитал лекцию под названием «Общая и логическая теория автоматов». Он определил «автомат» как любую машину, поведение которой происходит логически от шага к шагу путем объединения информации из окружающей среды и собственного программирования, и сказал, что в конечном итоге естественные организмы будут следовать аналогичным простым правилам. Он также рассказал об идее самовоспроизводящихся машин . Он предположил, что существует управляющий компьютер, строительная рука и длинная серия инструкций, плавающих в озере деталей. Следуя инструкциям, которые были частью его собственного тела, он смог создать идентичную машину. Он последовал этой идее, создав (совместно со Станиславом Уламом ) чисто логический автомат, не требующий физического тела, но основанный на изменении состояний ячеек в бесконечной сетке — первый клеточный автомат . Он был чрезвычайно сложен по сравнению с более поздними ЦС, поскольку имел сотни тысяч ячеек, каждая из которых могла существовать в одном из двадцати девяти состояний, но фон Нейман чувствовал, что ему нужна такая сложность, чтобы он мог функционировать не просто как самовоспроизводящаяся «машина». «, но и как универсальный компьютер по определению Алана Тьюринга . Этот « универсальный конструктор » считывал с ленты инструкции и записывал ряд ячеек, которые затем можно было сделать активными, чтобы оставить полнофункциональную копию исходной машины и ее ленты. Фон Нейман интенсивно работал над своей теорией автоматов вплоть до своей смерти и считал ее своей самой важной работой.

Гомер Джейкобсон проиллюстрировал основы самовоспроизведения в 1950-х годах с помощью модели поезда: семенной «организм», состоящий из товарного вагона «голова» и «хвост», мог использовать простые правила системы для последовательного создания новых «организмов», идентичных самому себе. , пока существовал случайный пул новых товарных вагонов, из которого можно было извлечь. Эдвард Ф. Мур предложил «искусственные живые растения» — плавучие фабрики, способные создавать копии самих себя. Их можно было бы запрограммировать на выполнение какой-либо функции (добыча пресной воды, сбор полезных ископаемых из морской воды) при инвестициях, которые были бы относительно небольшими по сравнению с огромными доходами от экспоненциально растущего числа заводов. Фримен Дайсон также изучал эту идею, представляя самовоспроизводящиеся машины, которые будут отправлены для исследования и эксплуатации других планет и лун, а группа НАСА под названием «Концептуальная группа самовоспроизводящихся систем» провела в 1980 году исследование возможности создания самостроящейся лунной фабрики.

Профессор Кембриджского университета Джон Хортон Конвей изобрел самый известный клеточный автомат в 1960-х годах. Он назвал ее « Игрой жизни » и опубликовал ее в Мартина Гарднера колонке в журнале Scientific American .

Норвежско-итальянский математик Нильс Алл Барричелли , работавший в основном в институтах США, был пионером в компьютерном моделировании биологических процессов, таких как симбиогенез и эволюция .

1970–1980-е годы

Ученый-философ Артур Беркс , который работал с фон Нейманом (и действительно организовал его статьи после смерти Неймана), возглавлял группу «Логика компьютеров» в Мичиганском университете . Он перенес упущенные из виду взгляды американского мыслителя XIX века Чарльза Сандерса Пирса в современную эпоху. Пирс был твердо убежден в том, что все действия природы основаны на логике (хотя и не всегда на дедуктивной логике). Группа из Мичигана была одной из немногих групп, которые все еще интересовались жизнью и CA в начале 1970-х годов; один из его студентов, Томмазо Тоффоли, в своей докторской диссертации утверждал, что эта область важна, потому что ее результаты объясняют простые правила, лежащие в основе сложных эффектов в природе. Позже Тоффоли представил ключевое доказательство того, что КА обратимы , как и считается в настоящей Вселенной.

Кристофер Лэнгтон был нетрадиционным исследователем с ничем не выдающейся академической карьерой, которая привела его к программированию мэйнфреймов DEC для больницы. Он был очарован «Игрой жизни» Конвея и начал развивать идею о том, что компьютер может имитировать живых существ. После многих лет обучения (и чуть не фатального несчастного случая при дельтаплане) он начал попытки реализовать СА фон Неймана и работу Эдгара Ф. Кодда , который упростил первоначального монстра фон Неймана с двадцатью девятью состояниями до одного, имеющего всего восемь состояний. . Ему удалось создать первый самовоспроизводящийся компьютерный организм в октябре 1979 года, используя только настольный компьютер Apple II . Он поступил в аспирантуру Беркса в Группу логики компьютеров в 1982 году, в возрасте 33 лет, и помог основать новую дисциплину.

Официальное заявление Лэнгтона об искусственной жизни I было самым ранним описанием области, которая ранее почти не существовала:

Искусственная жизнь — это исследование искусственных систем, которые демонстрируют поведение, характерное для естественных живых систем. Это стремление объяснить жизнь в любом из ее возможных проявлений, не ограничиваясь конкретными примерами, возникшими на Земле. Сюда входят биологические и химические эксперименты, компьютерное моделирование и чисто теоретические начинания. Исследованию подлежат процессы, происходящие на молекулярном, социальном и эволюционном масштабах. Конечная цель — извлечь логическую форму живых систем.

Микроэлектронные технологии и генная инженерия вскоре дадут нам возможность создавать новые формы жизни как in silico , так и in vitro . Эта способность поставит перед человечеством самые далеко идущие технические, теоретические и этические проблемы, с которыми оно когда-либо сталкивалось. Кажется, сейчас подходящее время для встречи тех, кто занимается попытками смоделировать или синтезировать аспекты живых систем.

Эд Фредкин группу информационной механики основал в Массачусетском технологическом институте , которая объединила Тоффоли, Нормана Марголуса и Чарльза Беннета . Эта группа создала компьютер, специально предназначенный для выполнения клеточных автоматов, в конечном итоге уменьшив его до размеров одной печатной платы. Эта «клеточная машина-автомат» позволила ученым, которые в противном случае не могли позволить себе сложные компьютеры, провести настоящий бум в исследованиях живой природы.

В 1982 году учёный-компьютерщик Стивен Вольфрам обратил своё внимание на клеточные автоматы. Он исследовал и классифицировал типы сложности, отображаемые одномерными СА, и показал, как они применяются к природным явлениям, таким как узоры морских ракушек и природа роста растений. Норман Паккард , работавший с Вольфрамом в Институте перспективных исследований , использовал СА для моделирования роста снежинок, следуя очень простым правилам.

Компьютерный аниматор Крейг Рейнольдс аналогичным образом использовал три простых правила для создания узнаваемого поведения стай в компьютерной программе в 1987 году для анимации групп боидов. Не имея никакого нисходящего программирования, боиды создавали реалистичные решения для обхода препятствий, возникших на их пути. Компьютерная анимация продолжает оставаться ключевым коммерческим двигателем исследований живой природы, поскольку создатели фильмов пытаются найти более реалистичные и недорогие способы анимации природных форм, таких как жизнь растений, движение животных, рост волос и сложные органические текстуры.

Дж. Дойн Фармер был ключевой фигурой в связи исследований искусственной жизни с развивающейся областью сложных адаптивных систем , работая в Центре нелинейных исследований (отделение фундаментальных исследований Лос-Аламосской национальной лаборатории ), так же, как и его теоретик звездного хаоса Митчелл Фейгенбаум . уход. Фармер и Норман Паккард возглавили конференцию в мае 1985 года под названием «Эволюция, игры и обучение», которая должна была предвосхитить многие темы конференций более поздней жизни.

2000-е

На экологическом фронте исследования эволюции кооперативного поведения животных (начатые У. Д. Гамильтоном в 1960-х гг. ) приводящий к теориям родственного отбора, взаимности, многоуровневого отбора и отбора культурных групп) был повторно представлен через искусственную жизнь Петром Турчиным и Михаилом Бурцевым в 2006 году. Ранее теория игр в аналогичных исследованиях использовалась , однако этот подход считался быть весьма ограниченным в количестве возможных стратегий и спорном наборе правил выигрыша. Вместо этого разработанная здесь модель живой жизни основана на «Игре жизни» Конвея , но с гораздо большей сложностью (их существует более 10). ¹⁰⁰⁰ стратегии, которые потенциально могут возникнуть). Наиболее важно то, что взаимодействующие агенты характеризуются внешними маркерами фенотипа, которые позволяют распознавать их среди членов группы. По сути, показано, что, обладая способностью воспринимать эти маркеры, агенты внутри системы могут развивать новое групповое поведение при минималистических предположениях. Помимо уже известных стратегий игры «буржуа-ястреб-голубь» , в результате моделирования возникают два новых режима совместного нападения и защиты.

Для настройки этот двумерный искусственный мир разделен на ячейки, каждая из которых пуста или содержит набор ресурсов. Пустая ячейка может с определенной вероятностью приобрести пакет ресурсов в единицу времени и потерять его при потреблении ресурса агентом. Каждый агент состоит из набора рецепторов, эффекторов (компонентов, которые управляют поведением агентов) и нейронной сети, соединяющей их. В зависимости от окружающей среды агент может отдыхать, есть, размножаться делением, двигаться, поворачиваться и атаковать. Все действия расходовать энергию, взятую из внутреннего энергохранилища; как только он истощается, агент умирает. Потребление ресурса, а также других агентов после победы над ними приводит к увеличению запаса энергии. Размножение моделируется как бесполое, при этом потомство получает половину родительской энергии. Агенты также оснащены сенсорными входами, которые позволяют им обнаруживать ресурсы или других участников в пределах параметра. в дополнение к собственному уровню жизненной силы. Что касается маркеров фенотипа, то они не влияют на поведение, а служат исключительно индикатором «генетического» сходства. Наследственность достигается за счет того, что соответствующая информация передается по наследству потомству и подвергается определенной скорости мутаций.

Цель исследования — изучить, как наличие маркеров фенотипа влияет на диапазон развивающихся стратегий сотрудничества модели. Кроме того, поскольку ресурсы, доступные в этой 2D-среде, ограничены, моделирование также помогает определить влияние несущей способности окружающей среды на их появление.

Одна из ранее невиданных стратегий называется «ворон». Эти агенты покидают клетки с членами своей группы, избегая таким образом внутривидовой конкуренции, и добровольно атакуют членов чужой группы. Другая стратегия, получившая название «скворец», предполагает, что агент делит ячейки с членами группы. Несмотря на то, что у людей меньший запас энергии из-за разделения ресурсов, эта стратегия обеспечивает высокоэффективную защиту от крупных захватчиков за счет численного преимущества. С экологической точки зрения это напоминает поведение толпы , которое характерно для многих видов мелких птиц, когда они коллективно защищаются от хищника.

В заключение, в исследовании утверждается, что результаты моделирования имеют важные последствия для эволюции территориальности, показывая , что в рамках живой жизни можно «моделировать не только то, как одна стратегия вытесняет другую, но и сам процесс, посредством которого новые стратегии возникают из огромное количество возможностей».

Также ведутся работы по созданию клеточных моделей искусственной жизни . Первоначальная работа по созданию полной биохимической модели клеточного поведения ведется в рамках ряда различных исследовательских проектов, в частности Blue Gene , целью которого является понимание механизмов сворачивания белка .

См. также

• Автомат
• Звенящий репликатор
• Клеточный автомат
• Квантовая искусственная жизнь

Внешние ссылки

Агилар В., Сантамария-Бонфил Г., Фрёзе Т. и Гершенсон К. (2014). Прошлое, настоящее и будущее искусственной жизни. Границы робототехники и искусственного интеллекта, 1 (8). https://dx.doi.org/10.3389/frobt.2014.00008