Искусственная жизнь (часто сокращенно ALife или A-Life ) - это область исследований, в которой исследователи изучают системы, связанные с естественной жизнью , ее процессами и ее эволюцией, с помощью моделирования с компьютерными моделями , робототехники и биохимии . [1] Дисциплина была названа Кристофером Лэнгтоном , американским биологом-теоретиком, в 1986 году. [2] В 1987 году Лэнгтон организовал первую конференцию по этой области в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико . [3] Существует три основных вида жизни, [4]названы в честь своих подходов: soft , [5] from software ; трудно , [6] из аппаратных средств ; и влажный - из биохимии. Исследователи искусственной жизни изучают традиционную биологию , пытаясь воссоздать аспекты биологических явлений. [7] [8]
Обзор
Искусственная жизнь изучает фундаментальные процессы живых систем в искусственной среде, чтобы получить более глубокое понимание сложной обработки информации, которая определяет такие системы. Эти темы широки, но часто включают эволюционную динамику , эмерджентные свойства коллективных систем , биомимикрию , а также связанные с этим вопросы о философии природы жизни и использовании реалистичных свойств в художественных произведениях.
Философия
Философия моделирования искусственной жизни сильно отличается от традиционного моделирования тем, что изучает не только «жизнь, как мы ее знаем», но и «жизнь такой, какой она может быть». [9]
Традиционная модель биологической системы будет сосредоточена на улавливании ее наиболее важных параметров. Напротив, подход к моделированию жизни обычно направлен на расшифровку наиболее простых и общих принципов, лежащих в основе жизни, и их реализацию в симуляции. Затем моделирование дает возможность анализировать новые и разные реалистичные системы.
Владимир Георгиевич Редько предложил распространить это различие на моделирование любого процесса, что привело к более общему различению «процессов, как мы их знаем» и «процессов как они могли бы быть». [10]
В настоящее время общепринятое определение жизни не рассматривает существующие симуляции жизни или программное обеспечение как живые, и они не являются частью эволюционного процесса какой-либо экосистемы . Однако возникли разные мнения о возможностях искусственной жизни:
- Сильный Alife (ср сильных ИИ ) состояний позиции , что «жизнь является процессом , который может быть отведенным от какой - либо конкретной среды» ( Джон фон Неймана ) [ править ] . Примечательно, что Том Рэй заявил, что его программа Tierra не моделирует жизнь на компьютере, а синтезирует ее. [11]
- Слабая Alife позиция отрицает возможность создания «живого процесса» вне химического раствора. Вместо этого исследователи пытаются смоделировать жизненные процессы, чтобы понять основную механику биологических явлений.
Программные («софт»)
Методы
- Клеточные автоматы использовались на заре искусственной жизни и до сих пор часто используются для упрощения масштабируемости и распараллеливания . У жизни и клеточных автоматов есть тесно связанная история.
- Искусственные нейронные сети иногда используются для моделирования мозга агента. Хотя нейронные сети традиционно больше относятся к технике искусственного интеллекта , они могут быть важны для моделирования динамики популяции организмов, которые могут обучаться . Симбиоз между обучением и эволюцией занимает центральное место в теориях о развитии инстинктов у организмов с более высокой неврологической сложностью, как, например, в эффекте Болдуина .
- Нейроэволюция
Известные симуляторы
Это список симуляторов искусственной жизни / цифровых организмов , организованный по методу определения существ.
Имя | Обусловлен | Начал | Закончено |
---|---|---|---|
ApeSDK (ранее - Благородная обезьяна) | язык / социальная симуляция | 1996 г. | непрерывный |
Вида | исполняемая ДНК | 1993 г. | непрерывный |
Биогенез | исполняемая ДНК | 2006 г. | непрерывный |
Нейроядро | Джеппетто | 2014 г. | непрерывный |
Существа | нейронная сеть и моделируемая биохимия и генетика | 1996-2001 | Фэндом все еще активен по сей день, несколько неудачных попыток создания новых продуктов. |
Critterding | нейронная сеть | 2005 г. | непрерывный |
Дарвинботы | исполняемая ДНК | 2003 г. | непрерывный |
DigiHive | исполняемая ДНК | 2006 г. | непрерывный |
ДОЗА | исполняемая ДНК | 2012 г. | непрерывный |
EcoSim | Нечеткая когнитивная карта | 2009 г. | непрерывный |
Framsticks | исполняемая ДНК | 1996 г. | непрерывный |
Геб | нейронная сеть | 1997 г. | непрерывный |
OpenWorm | Джеппетто | 2011 г. | непрерывный |
Polyworld | нейронная сеть | 1990 г. | непрерывный |
Изначальная жизнь | исполняемая ДНК | 1994 г. | 2003 г. |
Скрипт-боты | исполняемая ДНК | 2010 г. | непрерывный |
Техносфера | модули | 1995 г. | |
Тьерра | исполняемая ДНК | 1991 г. | 2004 г. |
Эволюция виртуальных существ в 3D | нейронная сеть | 2008 г. | NA |
На основе программы
Моделирование на основе программ содержит организмы со сложным языком ДНК, обычно полным по Тьюрингу . Этот язык чаще бывает в форме компьютерной программы, чем реальной биологической ДНК. Производные от ассемблера - самые распространенные языки. Организм «живет», когда выполняется его код, и обычно существуют различные методы, позволяющие самовоспроизводиться . Мутации обычно реализуются как случайные изменения кода. Использование клеточных автоматов является обычным, но не обязательным. Другим примером может быть искусственный интеллект и многоагентная система / программа .
На основе модуля
К существу добавляются отдельные модули. Эти модули изменяют поведение и характеристики существа либо напрямую, путем жесткого кодирования в симуляции (тип ноги A увеличивает скорость и метаболизм), либо косвенно, посредством возникающих взаимодействий между модулями существа (тип ноги A движется вверх и вниз с частотой X, который взаимодействует с другими ногами для создания движения). Как правило, это симуляторы, которые делают упор на создание и доступность пользователей, а не на мутацию и эволюцию.
На основе параметров
Организмы обычно конструируются с заранее определенным и фиксированным поведением, которое контролируется различными изменяющимися параметрами. То есть каждый организм содержит набор чисел или других конечных параметров. Каждый параметр четко определенным образом контролирует один или несколько аспектов организма.
На основе нейронной сети
В этих симуляциях есть существа, которые обучаются и растут с помощью нейронных сетей или их близких производных. Часто, хотя и не всегда, упор делается на обучение, а не на естественный отбор.
Моделирование сложных систем
Математические модели сложных систем бывают трех типов: черный ящик (феноменологический), белый ящик (механистический, основанный на первых принципах ) и серый ящик (смесь феноменологических и механистических моделей). [12] [13] В моделях черного ящика индивидуальные (механистические) механизмы сложной динамической системы остаются скрытыми.
Модели черного ящика совершенно немеханистичны. Они феноменологичны и игнорируют состав и внутреннюю структуру сложной системы. Из-за непрозрачности модели взаимодействие подсистем невозможно исследовать. Напротив, модель «белого ящика» сложной динамической системы имеет «прозрачные стены» и напрямую показывает лежащие в основе механизмы. Все события на микро-, мезо- и макроуровнях динамической системы непосредственно видны на всех этапах эволюции модели белого ящика. В большинстве случаев разработчики математических моделей используют тяжелые математические методы черного ящика, которые не могут создавать механистические модели сложных динамических систем. Модели «серого ящика» являются промежуточными и сочетают подходы «черный ящик» и «белый ящик».
Создание модели сложной системы white-box связано с проблемой необходимости априори базовых знаний предмета моделирования. Детерминированные логические клеточные автоматы являются необходимым, но не достаточным условием модели белого ящика. Вторая необходимая предпосылка модели белого ящика - наличие физической онтологии изучаемого объекта. Моделирование методом белого ящика представляет собой автоматический гипер-логический вывод из первых принципов, поскольку оно полностью основано на детерминированной логике и аксиоматической теории субъекта. Целью моделирования методом белого ящика является получение из основных аксиом более подробных, более конкретных механистических знаний о динамике изучаемого объекта. Необходимость сформулировать внутреннюю аксиоматическую систему субъекта до создания его модели белого ящика отличает модели клеточных автоматов типа белого ящика от моделей клеточных автоматов, основанных на произвольных логических правилах. Если правила клеточного автомата не были сформулированы исходя из первых принципов предмета, то такая модель может иметь слабое отношение к реальной проблеме. [13]
Аппаратный ("жесткий")
Искусственная жизнь, основанная на оборудовании, в основном состоит из роботов , то есть машин с автоматическим управлением, способных выполнять задачи самостоятельно.
На биохимической основе («мокрый»)
Биохимическая жизнь изучается в области синтетической биологии . Он включает в себя такие исследования, как создание синтетической ДНК . Термин «влажная» является расширением термина «влажная посуда ». Усилия по созданию «влажной» искусственной жизни сосредоточены на создании живых минимальных клеток из живых бактерий Mycoplasma labratorium и на создании неживых биохимических клеточно-подобных систем с нуля.
В мае 2019 года исследователи сообщили о новой вехе в создании новой синтетической (возможно, искусственной ) формы жизнеспособной жизни , варианта бактерии Escherichia coli , путем сокращения естественного числа 64 кодонов в бактериальном геноме до 59 кодонов. чтобы кодировать 20 аминокислот . [14] [15]
Открытые проблемы
- Как жизнь возникает из неживого? [16] [17]
- Создайте молекулярный протоорганизм in vitro .
- Добейтесь перехода к жизни в искусственной химии in silico .
- Определите, могут ли существовать принципиально новые живые организации.
- Смоделируйте одноклеточный организм на протяжении всего его жизненного цикла.
- Объясните, как правила и символы порождаются физической динамикой живых систем.
- Каковы возможности и пределы живых систем?
- Определите, что неизбежно в неограниченной эволюции жизни .
- Определите минимальные условия для эволюционных переходов от конкретных систем реагирования к общим.
- Создайте формальную основу для синтеза динамических иерархий на всех уровнях.
- Определите предсказуемость эволюционных последствий манипулирования организмами и экосистемами.
- Разработать теорию обработки информации , информационных потоков и генерации информации для развивающихся систем.
- Как жизнь связана с разумом, машинами и культурой?
- Продемонстрируйте появление интеллекта и разума в искусственной живой системе.
- Оцените влияние машин на следующий важный эволюционный переход жизни.
- Предложите количественную модель взаимодействия культурной и биологической эволюции.
- Установите этические принципы искусственной жизни.
Связанные темы
- Агентное моделирование используется в искусственной жизни и других областях для изучения появления систем.
- Искусственный интеллект традиционно использует подход сверху вниз , в то время как жизнь обычно работает снизу вверх. [18]
- Искусственная химия зародилась как метод в сообществе живого, чтобы абстрагироваться от процессов химических реакций.
- Эволюционные алгоритмы представляют собой практическое применение принципа слабой жизни, применяемого к задачам оптимизации . Было создано множество алгоритмов оптимизации, которые заимствуют или полностью отражают существующие методы. Основное различие заключается в явном определении пригодности агента по его способности решать проблему, а не по его способности находить пищу, воспроизводить потомство или избегать смерти. [ необходима цитата ] Ниже приводится список эволюционных алгоритмов, тесно связанных и используемых в жизни:
- Оптимизация колонии муравьев
- Оптимизация бактериальных колоний
- Генетический алгоритм
- Генетическое программирование
- Рой интеллект
- Многоагентная система. Многоагентная система - это компьютеризированная система, состоящая из нескольких взаимодействующих интеллектуальных агентов в среде.
- Эволюционное искусство использует техники и методы искусственной жизни для создания новых форм искусства.
- Эволюционная музыка использует аналогичные методы, но применяется к музыке, а не к визуальному искусству.
- Абиогенез и происхождение жизни иногда также используют живые методологии .
- Квантовая искусственная жизнь применяет квантовые алгоритмы к искусственным системам жизни.
История
Критика
У Алифы неоднозначная история. В 1994 году Джон Мейнард Смит критиковал некоторые виды искусственной жизни как «науку, свободную от фактов». [19]
Смотрите также
- Искусственное сознание - область когнитивной науки
- Приложения искусственного интеллекта
- Автономный робот - робот, который выполняет действия или задачи с высокой степенью автономности.
- Биоэтика - Изучение этических проблем, возникающих в результате достижений биологии и медицины.
- Сложная адаптивная система - система, в которой безупречное понимание отдельных частей автоматически не дает идеального понимания поведения всей системы.
- Машина Дарвина
- Цифровой морфогенез
- Возникновение - явление в сложных системах, в котором взаимодействия производят эффекты, не предсказуемые непосредственно подсистемами.
- Игра-симулятор жизни - Поджанр видеоигр-симуляторов
- Список новых технологий
- Математическая и теоретическая биология - раздел биологии, который использует теоретический анализ, математические модели и абстракции живых организмов.
- Многоагентная система
- Краткое описание искусственного интеллекта - Обзор и актуальное руководство по искусственному интеллекту
- Проект игрока
- Смоделированная реальность - Гипотеза о том, что реальность можно смоделировать.
- Социальная симуляция
- Конструктор соды
- Интеллект роя - коллективное поведение децентрализованных, самоорганизованных систем.
- Синтетическая жизнь
- Квантовая искусственная жизнь
- Универсальный дарвинизм - попытка распространить применение дарвиновской теории эволюции на другие области.
- Webots
Рекомендации
- ^ "Определение Dictionary.com" . Проверено 19 января 2007 .
- ^ Энциклопедия когнитивных наук Массачусетского технологического института, MIT Press, стр.37. ISBN 978-0-262-73144-7
- ^ «Доктор Франкенштейн игровой индустрии». Следующее поколение . № 35. Imagine Media . Ноябрь 1997. с. 10.
- ^ Марк А. Бедо (ноябрь 2003 г.). «Искусственная жизнь: организация, адаптация и сложность снизу вверх» (PDF) . Тенденции в когнитивных науках. Архивировано из оригинального (PDF) 2 декабря 2008 года . Проверено 19 января 2007 .
- ^ Мацей Комосинский и Эндрю Адацки (2009). Искусственные модели жизни в программном обеспечении . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-84882-284-9.
- ^ Эндрю Адамацки и Мацей Комосинский (2009). Искусственные модели жизни в аппаратном обеспечении . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-84882-529-1.
- ^ Лэнгтон, Кристофер. "Что такое искусственная жизнь?" . Архивировано из оригинала на 2007-01-17 . Проверено 19 января 2007 .
- ↑ Агилар, В., Сантамария-Бонфил, Г., Фрозе, 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
- ↑ См. Langton, CG 1992. Искусственная жизнь. Архивировано 11 марта 2007 года в Wayback Machine . Эддисон-Уэсли. ., секция 1
- ^ См. Редько В.Г. 1999. Математическое моделирование эволюции . в: Ф. Хейлиген, К. Джослин и В. Турчин (редакторы): Principia Cybernetica Web (Principia Cybernetica, Брюссель). О важности моделирования ЖИЗНИ с космической точки зрения см. Также Видал, К. 2008. Будущее научного моделирования: от искусственной жизни к искусственному космогенезу . В Смерти и Анти-Смерти, изд. Чарльз Тэнди, 6: Тридцать лет спустя Курта Гёделя (1906-1978) стр. 285-318. Ria University Press.)
- ^ Рэй, Томас (1991). Тейлор, С.К .; Фермер, JD; Расмуссен, С (ред.). «Подход к синтезу жизни» . Искусственная жизнь II, Институт Санта-Фе изучает науку о сложности . XI : 371–408. Архивировано 11 июля 2015 года . Проверено 24 января +2016 .
Цель этой работы - синтезировать, а не моделировать жизнь.
- ^ Калмыков, Лев В .; Калмыков, Вячеслав Л. (2015), «Решение парадокса биоразнообразия с помощью логических детерминированных клеточных автоматов», Acta Biotheoretica , 63 (2): 1–19, doi : 10.1007 / s10441-015-9257-9 , PMID 25980478 , S2CID 2941481
- ^ а б Калмыков, Лев В .; Калмыков, Вячеслав Л. (2015), «Модель белого ящика S-образного и двойного S-образного роста одновидовой популяции», PeerJ , 3: e948: e948, doi : 10.7717 / peerj.948 , PMC 4451025 , PMID 26038717
- ^ Циммер, Карл (15 мая 2019 г.). «Ученые создали бактерии с синтетическим геномом. Является ли эта жизнь искусственной? - Вехой в синтетической биологии колонии E. coli процветают благодаря ДНК, созданной с нуля людьми, а не природой» . Нью-Йорк Таймс . Дата обращения 16 мая 2019 .
- ^ Фреденс, Юлий; и другие. (15 мая 2019 г.). «Полный синтез Escherichia coli с перекодированным геномом» . Природа . 569 (7757): 514–518. DOI : 10.1038 / s41586-019-1192-5 . PMC 7039709 . PMID 31092918 .
- ^ «Либаринт» . Проверено 11 мая 2015 .
- ^ "Калтех" (PDF) . Проверено 11 мая 2015 .
- ^ «AI Beyond Computer Games» . Архивировано из оригинала на 2008-07-01 . Проверено 4 июля 2008 .
- ^ Хорган, Дж. (1995). «От сложности к недоумению» . Scientific American . п. 107.
Внешние ссылки
- Искусственная жизнь в Керли
- Международное общество искусственной жизни
- Журнал « Искусственная жизнь» в MIT Press Journal
- Лаборатория искусственной жизни, лаборатория виртуальной среды