Vida artificial
De Viquipèdia
La vida artificial és l'estudi de la vida i dels sistemes artificials que exhibeixen propietats similars als éssers vius, a través de models de simulació. El científic Christopher Langton va ser el primer a utilitzar el terme a fins dels anys 1980 quan es va celebrar la "International Conference on the Synthesis and Simulation of Living Systems" ("Primera Conferència Internacional de la Síntesi i Simulació de Sistemes Vivents") també coneguda com "Artificial Life I" ("Vida Artificial I") a l'Alamos National Laboratory en 1987. En anglès també es coneix com a alife, per la contracció de "artificial life".
Taula de continguts |
[edita] Caracteristiques del camp
Encara que l'estudi de vida artificial té alguna superposició significativa amb l'estudi d'intel·ligència artificial (IA), els dos camps són molt diferents en la seva història i mètodes. La investigació d'IA organitzada començava d'hora en la història de calculadors digitals, i es caracteritzava sovint en aquells anys per una enfocament "de dalt a baix" (top-down) basada en xarxes complicades de regles. Els estudis de vida artificial no teniren un camp gens organitzat fins als anys 80, i sovint treballaven en l'aïllament, inconscients d'altres que feien treballs similars. Si en algúna ocasió es preocupaven per la intel·ligència, els investigadors tendien a centrar-se en la natura "de baix a dalt" (bottom-up) de conductes emergents.
Els investigadors de vida artificials s'han dividit sovint en dos grups principals (encara que uns altres classificacions són possibles):
- La posició de vida artificial dura/forta manifesta que "la vida és un procés que es pot aconseguir fora de qualsevol medi particular". (John Von Neumann). Notablement, Tom Ray declarava que el seu programa Tierra no estava simulant vida en un ordinador, sinó l'estava sintetitzant.
- La posició de vida artificial dèbil nega la possibilitat de generar un "procés de vida" fora d'una solució química basada en el carboni. Els seus investigadors intenten en canvi imitar processos de vida per entendre aspectes de fenòmens senzills. La manera habitual és a través d'un model basat en agents, que normalment dóna una solució possible mínima. Això és: "no sabem què genera aquest fenomen en la natura, però podria ser alguna cosa tan simple com... "
El camp és caracteritzat per l'ús extens de programes informàtics i simulacions que inclouen càlcul evolutiu (algoritmes evolutius, algoritmes genètics (GA per l'anglès Genetic Algorithm), programació genètica, intel·ligència d'eixam, optimització de colònies de formigues), quimica artificial, models basats en agents, i autòmats cel·lulars (CA de l'anglès Cellular Automata). Sovint aquelles tècniques es veuen com subcamps de la vida artificial. Amb articles tècnics en els temes que s'inclouen i acceptats en conferències de vida artificial fins que el seu camp n'hagi crescut prou per celebrar les seves pròpies conferències. Com a tal, al llarg dels anys, la vida artificial també ha treballat com a terme generic provisional per a tècniques diferents que no s'acceptarien en uns altres camps.
La vida artificial és un punt de reunió per a gent de molts altres camps més tradicionals com lingüística, física, matemàtiques, filosofia, informàtica, biologia, antropologia i sociologia en els quals es pot parlar d'enfocaments computacionals i teòrics inusuals que serien controvertides dins de la seva propia disciplina. Com a camp, ha tingut una història controvertida; John Maynard Smith criticava el 1995 algún treball de vida artificial com "ciència lliure de fet", i no ha rebut generalment gaire atenció de biòlegs. Tanmateix, la publicació recents d'articles de vida artificials en diaris àmpliament llegits com Science i Nature és evidència que les tècniques de vida artificial s'estàn tornant més acceptades en la línia central, com a mínim com a mètode que estudia l'evolució.
[edita] Història i contribucions
[edita] Avanç de les computadores
Unes quantes invencions de l'era predigital eren heralds de la fascinació de l'humanitat amb la vida artificial. El més famós era un ànec artificial, amb milers de parts que es movien, creades per Jacques de Vaucanson. L'ànec podria segons hom diu menjar i digerir, beure, grallar, i esquitxar a una piscina. S'exhibia pertot arreu d'Europa fins que es fa fer malbè.
[edita] 1950s-1970s
Un dels primers pensadors de l'edat moderna que va preveure els potencials de la vida artificial, separada d'intel·ligència artificial, era el prodigi matemàtic i informàtic John Von Neumann. Al Simposi Hixon, ofert per Linus Pauling a Pasadena, Califòrnia a finals dels anys 40, Von Neumann va fer una conferència titulada "The General and Logical Theory of Automata" ("La Teoria General i Lògica d'Autòmats"). Definia un "autòmat" com qualsevol màquina el comportament|conducta del qual provenia lògicament des de pas a pas combinant informació des de l'ambient i la seva pròpia programació, i deia que natural organismes al final es trobaria que seguís similar regles simples. També va parlar sobre la idea de màquines que s'autoduplicaven. Pressuposava una màquina -- un autòmat cinemàtic -- constituïda per un ordinador de control, una braç de construcció, i una sèrie llarga d'instruccions, flotant en un llac de parts. Seguint les instruccions que eren part del seu propi cos, podria crear una màquina idèntica. Seguint aquesta idea va crear (amb Stanislaw Ulam) autòmats purament lògics, no exigint un cos físic sinó basat en els estats que canvien de les cèl·lules en una xarxa infinita -- el primer autòmat cel·lular. Va ser extraordinariament complicat complicat amb posteriors autòmats cel·lulars, tenia cents de milers de cel·lules que podien existir cada una en un de vint i nou estats, però Von Neumann pensava que necessitava la complexitat per aconseguir que funciones no només com a una màquina auto replicant, sino que també como una computadora universal tal i com va definir Alan Turing. Aquest "constructor universal" llegia d'una cinta d'instruccions i escribia una serie de cel·lules que podien ser activades per a deixar una copia completament funcional de l'original i la seva cinta. Von Neumann va treballar en la seva teoria d'autòmates intensivament fins al moment de la seva mort, i el va considerar el seu treball més important.
Homer Jacobson va ilustrar l'auto replicació de forma bàsica als anys 50 amb un model de un grup d'aprenentatge -- un "organisme" llavor que consistia en un "cap" i un vagó de "cua" que podien usar sencilles regles del sistema per crear de forma consistent nous "organismes" identics a ell mateix, sempre i quant hi hagués un magatzem aleatori de peces per un nou vagó d'on poder extreure'n. Edward F. Moore va proposar "plantes vives artificials", que podrien ser fàbriques flotants que poguessin fer copies d'elles mateixes. Podrien ser programades per por a terme alguna funció (p.e. extreure aigua dolça, extreure minerals de l'aïgua de mar) invertint una quantitat que seria realment petita comparada amb els enormes beneficis que produiria un número de fàbriques que creix exponencialment. Freeman Dyson també va estudir la idea, imaginant una màquina auto replicant enviada a explorar i explotar altres planetes i llunes, i un grup de la NASA anomenat Self-Replicating Systems Concept Team (Equip de Conceptes de Sistemes Auto Replicats) va realitzar al 1980 un estudi en la possibilitat d'una fàbrica lunar auto construïda.
El professor de Cambridge John Horton Conway va invetar el autòmata cel·luar més famos dels anys 60. El va anomenar el Joc de la Vida, i va aconseguir publicitat a través de la columna de Martin Gardner a la revista Scientific American.
[edita] 1970s-1980s
L'erudit en filosofia Arthur Burks, que havia treballat amb Von Neumann (i en efecte, organitzat els seus articles després de la seva mort), encapçalava el Logic of Computers Group (Grup de Lògica Informàtica) a la Universitat de Michigan. Va retornar les vistes passades per alt del pensador americà del segle XIX Charles S. Peirce a l'edat moderna. Peirce era un fort creient en que tot el funcionaments de la natura es basavenla lògica. El grup de Michigan era un dels pocs grups encara interessats en la vida artificial i autòmats cel·lulars a principis dels 70; un dels seus estudiants, Tommaso Toffoli discutia a la seva tesi doctoral que el camp no s'hauria de passar per alt com a curiositat matemàtica, perquè els seus resultats eren molt bons per explicar les regles simples que son la base de efectes complexos en la natura. Toffoli més tard va proporcionar una prova clau que els autòmats cel·lulars eren reversibles, com es considera que l'univers veritable també ho és.
Christopher Langton va ser un investigador poc convencional, amb una carrera acadèmica sense distincions que el va portar a aconseguir un treball programant mainframes per un hospital. El va cautivar el Joc de la Vida de Conway, i va començar a perseguir l'idea que una computadora pot emular criatures vives. Després d'anys d'estudi (i un quasi fatal accident de ala delta), va començar a intentar actualitzar l'autòmat cel·lular de Von Neumann i el treball de Edgar F. Codd, que va simplificar el monstre original de vint i nou estats de Von Neumann a un amb només vuit estats. Va aconseguir el primer organisme computacional auto replicat en octubre de 1979, usan simplement un ordinador de sobretaula Apple II. Va entrar al programa de graduats al Logic of Computers Group l'any 1982, als 33 anys, i va ajudar a crear una nova disciplina.
L'anunci oficial de Langton de la conferencia "Artificial Life I" va ser la primera descripció d'un camp que avanç quasi no existia:
La vida artificial es l'estudi de sistemes artificials que exhibeixen comportaments caracteristiques de sistemes vevents naturals. Es la búsqueda per explicar la vida en qualsevol de les seves possibles manifestacions, sense restriccions a un exemple particular que han evolucionat a la Terra. Estan incloses experiments biològics i químics, simulacions per ordinador, i iniciatives purament teòriques. Els processos que ocurreixen a una escala molecular, social i evolutiva son objecte d'investigació. El objetiu final es extreure la forma lògica dels sistemes vius.
La tecnologia microeletrònica i la enginyeria genètica aviat ens donaran capacitat per crear noves formes de vida tant en silici com en vitro. Aquesta capacitat presentarà a l'humanitat amb els reptes tecnics, teòrics i etics amb més gran abast als que mai a estat confrontada. El moment sembla apropiat per reuir a aquells involucrats en l'intent de simular o sintetitzar aspectes de sistemes vius.
Ed Fredkin va fundar el Information Mechanics Group (Grup de Informació Mecànica) al MIT, que va unir Toffoli, Norman Margolus, Gerard Vichniac, i Charles Bennett. Aquest grup ha creat un ordinador dissenyat especialment per executar autòmats cel·lulars, eventualment reduint-lo al tamany d'una única placa de circuits. Aquesta "màquina de autòmats cel·lulars" va permetre una explosió d'investigació al camp de la vida artificial entre els científics que no podien pagar ordinadors més sofisticats.
L'any 1982, el científic en computadores Stephen Wolfram va dirigir la seva atenció als autòmats cel·lulars. Va explorar i categoritzar els tipus de complexitat que mostraven els autòmats cel·lulars unidimensionals, i va mostrar com podien ser aplicats a fenomens naturals com les conquilles marines i la naturalesa del creixement de les plantes. Norman Packard, que va trevallar amb Wolfram al Institute for Advanced Study (Institut per Estudis Avançats), va usar autòmats cel·lulars per simular el creixement de flocs de neu, seguint regles molt bàsiques.
L'animador per computadora Craig Reynolds va usar de manera similar simples regles per crear comportaments de esbarts d'ocells en grups de "boids" dibuixats per ordinador l'any 1987. Sense cap tipus de programació "de dalt a baix" (top-down), els boids produïen solucions semblants als de la vida real per evadir obstacles al seu camí. L'animació per computadora ha continuat sent un conductor comercial clau per a l'investigació en vida artificial segons els creados de pel·licules intenten trovar formes més realistiques i barates d'animar formes naturals com plantes vives, moviments d'animals, creixement de cavells, i complicades textures orgàniques.
La Unit of Theoretical Behavioural Ecology (Unitat d'Ecologia Comportacional Teòrica) a la Free University de Brussel·les ha aplicat les teories auto organitzadores de Ilya Prigogine i el trevall de l'entomòleg E.O. Wilson a l'investigació de insectes socials, particularment allelomimesis, en la qual les accions individuals son dictades pels veïns. Van desenvolupar equacions diferencials parcials que modelaven les formes creades per termites quan construeixen el seu niu. Llavors van comparar-les amb la reacció de termites reals a canvis identics a les termites de laboratori, i van redefinir les seves teories de les regles que son la base del seu comportament.
J. Doyne Farmer va ser una figura clau en lligar l'investigació de vida artificial al camp emergent de sistemes adaptatius complexos, treballant al Center for Nonlinear Studies (Centre per Estudis No-Lineals), una secció de recerca dels Alamos National Laboratory, en el moment en que el teòric del caos Mitchell Feigenbaum marxava. Farmer i Norman Packard presidien una conferència el maig de 1985 anomenada "Evolution, Games, and Learning" ("Evolució, Jocs, i Aprenentatge"), que havia de presagiar molts dels temes de conferències sobre vida artificial posteriors.
[edita] Principi segle XXI
Hi ha treballs per crear models de vida artificial amb models cel·lulars. Treballs preliminars per crear un model complet del comportament cel·lular està en camí en diversos projectes de recerca, anomenats BlueGene que proven de entendre els mecanismes radera del plegament proteic.
Altres personatges:
- Brian Silverman, iniciador dels algorismes alàmbrics
- Stuart Kauffman
- Stanley Miller & Harold Urey
- Steen Rasmussen
- James Crutchfield
- Gerald Joyce
- John Henry Holland, inventor dels algoritmes genètics
- David Jefferson
- Richard Dawkins
- John Koza
- Danny Hillis
- Karl Sims
- Ken Rinaldo
- Thomas Ray
- Steve Grand, creador del joc Creatures
- Rodney Brooks
[edita] Simuladors de organismes digitals/vida artificial
[edita] Basats en programació
Inclouen organismes amb un llenguatge DNA complex, usualmente Turing-complet. Aquest llenguatges es usualment in la forma de un programa de computadora, en comptes de DNA biologic.
[edita] Bastats en paràmetres
Els organismes son construits generalment amb comportaments predefinits que son afectat per diversos paràmetres que muten. Això es que cada organisme conté una colecció de números que canvien i afecten el seu comportament de maneres ben definides.
[edita] Basats en cel·lules
Els organismes son construits com a cel·lules individuals, amb gens que expressen proteïnes. L'expressió genètica afecta el comportament de la cel·lula. L'objectiu aquí es usualment il·lustrar les propietats emergents de organismes pluricel·lulars.
[edita] Basats en xarxes neuronals
Aquestes simulacions tenen criatures que aprenen i creixen usant xarxes neuronals o derivats propers d'aquestes. L'ènfasis es posa més en el creixement i l'aprenentatge que a l'evolució.
- Creatures
- NERO - Neuro Evolving Robotic Operatives [10]
- Noble Ape
- Polyworld
