Umelý život

Umelý život

8. Prednáška

Umelý život

• Simulácia životných prejavov jednotlivcov alebo skupín

• Využitie: Biológia, informatika, fyzika, sociológia, psychológia, ekonómia (modelovanie situácií, kedy si firmy konkurujú alebo kedy spolupracujú, zapojenie teórie hier, riadenie priemyselných komplexov) a filozofia

• Santa Fe Institute, MIT, Japonsku, Rurópa, doc. Július Csontó v Košiciach

Umelý život

• Vytvorenie a vylepšovanie účinnosti nových foriem života, iba v inom médiu ako sú uhľovodíky, teda väčšinou na báze kremíkových čipov v počítačoch (ako napr. počítačové vírusy) alebo v "železe" predstavovanom (nano)robotmi.

• Vypracovať nové metódy na štúdium života, klasická biológia - analýza, umelý život- syntéza čŕt života z pravidiel správania a replikácie, emergent behavior - súperenie, spolupráca, parazitizmus, vzťah dravec - korisť alebo vývoj druhov.

Umelý život - Definícia

• Umelý život ako štúdium umelých systémov, ktoré vykazujú správanie charakteristické pre prírodné živé systémy: samoorganizáciu, adaptáciu, evolúciu, koevolúciu, metabolizmus atď. Cieľom je extrahovať základné princípy organizácie živých systémov a ich vývoja.

• Steven Levy: ”Život je dynamický fyzikálny proces a keď dokážete duplikovať tieto procesy na inak neživom materiále - stvorili ste život. Ten môže byť nezávislý na materiále. Môže dokonca vzniknúť v počítači.”

Umelý život - História

• Vaucansonova kačica, Francúzsko 1739, mohla pohybovať krídlami, zberať zrná a „stráviť“ ich

• 1979, Langtonove sľučky celulárny automat, bunky majú jednoduché pravidlá a obsahujú informáciu, ktorá celú sľučku kopíruje.


• Ako definovať život? Všetky definície majú výnimky. Napríklad: život musí byť schopný autoreprodukcie - mulica (sterilný kríženec kobyly a osla, ktorý nie je principiálne schopný ďalšieho rozmnožovania) teda nie je živá? Vlastnosti definujúce život môžu byť napr. nasledujúce:

1. Život je systém existujúci v čase a priestore, nie materiálny objekt.

2. Je schopný sa reprodukovať, sám alebo s pomocou hostiteľa.

3. Obsahuje informáciu, pomocou ktorej je vybudovaný.


4. Obsahuje metabolizmus premeny jedného druhu hmoty na iný spojený s produkciou energie.

5. Funkčne interaguje s okolím.

6. Jeho časti sa navzájom funkčne dopĺňajú.

7. Je stabilný v meniacom sa prostredí.

8. Je schopný vyvíjať sa.

9. Rastie.? vírus chrípky?

• Štúdium životu-podobných systémov môže byť užitočné napr. aj pre praktické účely softvérovej evolúcie inteligentných robotov, nanotechnológie (robotiky a výroby počítačových komponent alebo napríklad lekárskych ”nástrojov” na molekulárnej úrovni) a robustných a adaptabilných počítačových programov pri využití životu podobných procesov.

Umelý život a umelá inteligencia

• Umelá inteligencia postupuje "zhora nadol", dopredu zadaný komplexný problém s pravidlami ako hranie šachu, chápanie textu alebo stanovenie diagnózy. Programátor vytvorí program inteligentný od začiatku. Umelý život "zdola nahor", vytvoriť iba základné pravidlá, evolúciou k zložitejším systémom, v komplexnom prostredí s meniacimi sa podmienkami. Spoločne programy typu autonómny agent-druh vnímania a ovplyvňovania okolitého prostredia, v operačnom systéme, databáze alebo v počítačovej sieti.

Umelý život a umelá inteligencia

• Po počiatočnom nastavení bez ďalšieho ovplyvňovania programátorom, riadenie letovej prevádzky letiska alebo prevádzky továrne, kedy každý stroj má svojho ”agenta” starajúceho sa o dodávky energie, surovín a o odvoz hotových produktov.

• Počítačový vírus hlavný cieľ: rozmnožovať sa, ničivé vedľajšie účinky, spustením infikovaných programov. Nevyvíja sa.

• Virtuálna realita užívateľ aktívnym účastníkom procesov v umelo vytvorenej (simulovanej) realite.

• Simulácie umelého života: ”bytosti“ sa vyvíjajú a menia prostredie

Organizmus riadený neurónovou sieťou na pravouhlej mriežke typu N× N stočenej do toroidu. Živí potravou znázornenou náhodne rozmiestnenými lístkami a má za cieľ pozbierať za daný počet krokov čo najväčší počet lístkov. Je schopný vnímať iba svoje najbližšie (vytieňované) okolie. Musí určiť smer, kde je najviac najbližších lístkov, a pohybovať sa týmto smerom.

Trojvrstvová neurónová sieť organizmu. Vstup pre okolité políčka (0 neprítomnosť lístku, inak 1). Skryté neuróny spracovávajú informáciu pre výstupné, rozhodujúce o smere pohybu. Neúspešné organizmy zanikajú, úspešnejšie sa množia, vymieňajú si vzájomne časti ”dedičnej informácie” - váhy medzi neurónmi, sa stávajú stále efektívnejšími v zbere lístkov.

Umelé bytosti nazvané Nornovia, základom počítačovej hry nazvanej Creatures z r. 1996. Sú schopné učenia a evolúcie, sú vybavené systémom komplikovaných programov včítane neurónových sietí, obsahujú aj simuláciu fyziológie včítane hormónov. Využitie: virtuálne pilotovanie lietadiel EuroFighter v projektu britského ministerstva obrany. Nornovia tu boli schopní v simulovanom prostredí vyvinúť známe bojové stratégie a aj niektoré zaujímavé nové, napr. stabilizáciu lietadla rotáciou okolo pozdĺžnej osi.

Karl Sims použil genetický systém na vývoj "umelých bytostí" kódovaných pomocou "genotypových grafov", kde odpovedajúci fenotyp je zložený z blokov, spojených kĺbmi, poháňaných svalmi a riadených "obvodmi". Tieto umelé bytosti sa potom testovali na schopnosť pohybovať sa po povrchu, skákať, plávať a pod., pričom sa vyvinula veľká variabilita bytostí a nových typov pohybov.

Jednoduchí jedinci a múdra spoločnosť: modelovanie kolónie mravcov. Komplikované skupinové správanie, nad rámec možností jednotlivého mravca, bez vzájomného spojenia ”telefónnou linkou”, bez centrálneho riadenia a pri častých poruchách informácie alebo zmenách prostredia. Mravčie kolónie stavajú cesty medzi hniezdom a zdrojom potravy, vypúšťajú po kratšej ceste koncentrovanejší feromón, ostatní sa ním riadia. Využitie pre optimalizáciu.

Emergentná vlastnosť

• Emergentná vlastnosť: správanie sa vtáčieho kŕdľa bez centrálneho riadenia, Craig Reynolds model "vtáka", "boid“

1. Vyhýbať sa kolízii s okolitými "vtákmi"

2. Prispôsobiť rýchlosť okolitým "vtákom"

3. Snažiť sa držať sa blízko okolitých "vtákov" (môže sa pridať základný smer, ktorým vtáky letia, nutnosť vyhýbať sa prekážkam, pridať malé náhodné zmeny smeru a rýchlosti vtákov apod.). Každý "vták" pritom vidí iba svojich najbližších susedov.

Vznik života evolúciou neživého pre biológiu v zjednodušenom prostredí: Tom Ray z University of Delaware: virtuálny svet Tierra, experimentálne štúdium evolúcie umelých organizmov na úrovni genómu. Ray vytvoril zjednodušený "počítač" v počítači s menším množstvom inštrukcií v umelom kóde a napísal 80 bytový "vírus". Pri kopírovaní náhodné mutácie. Každému ”vírusu" pridelený určitý strojový čas na beh, a teda rozmnožovanie. Súťaž o čas CPU a pamäť. V programoch objavili lepšie "vírusy", ako Rayov a objavil sa aj "parazitizmus" - vírus bol krátky a využíval časť kódu iného vírusu. Hostitelia, paraziti, imunní.

Moderným teóriám vzniku života predchádzal pok us vtedajšieho chicagského študenta chémie Stanleyho Millera r. 1953, ktorý jednoducho zatvoril do5-litrovej fľaše vodu, metán, amoniak a vodík, fľašu týždeň zahrieval a nechal vo vnútri generovať elektrické iskry simulujúce blesky. Výsledkom bola zmes komplikovaných zlúčenín aminokyselín potrebných na vznik života.

Teória hypercyklov

Nemecký biofyzikálny chemik Manfred Eigen spolu s teoretickým chemikom Petrom Schusterom potom vytvorili teóriu hypercyklov vysvetľujúcu vznik života pomocou siete replikujúcich sa molekúl RNA. Problémom tu je, že RNA dosť ťažko môže vytvoriť svoju kópiu bez pomoci enzýmov, ktoré by

mali byť produkované pomocou RNA - a RNA sama sa normálne vytvára prepisom z DNA. I sú označené molekuly RNA, E sú enzýmy podporujúce vznik ďalšej RNA v hypercykle. Stuart Kaufmann študuje podobné procesy samoorganizácie sietí.

Algoritmická chémia

• Algoritmická chémia: objekty - "molekuly" a pravidlá ich interakcie - reakcie Nielen pre chemické reakcie, ale napr. aj správanie sa robota riadeného symbolicky formulovaným ekvivalentom difúzie. Objektmi môžu byť napr. čísla, binárne a znakové reťazce a iné dátové štruktúry. Reakcie potom môžu predstavovať jednoduché aritmetické operácie, maticovú manipuláciu, zlučovanie reťazcov, spájanie do boolovských sietí alebo prepájanie obvodov v procesoroch.

Algoritmická chémia

• Konštruktívna "čísla deliaca chémia", produkujúca populáciu prvočísel z náhodnej počiatočnej populácie kladných celých čísel. Objekty sú v nej prirodzené čísla okrem jednotky, S={2,3,...}. Reakčným pravidlom je s1 + s2 → s1 + s3 , kde s3 = s2 /s1 pre s2 mod s1 = 0 a s2 ≠ s1, v opačnom prípade s3 = s2; toto reakčné pravidlo vyjadruje funkcia reakcia(s1,s2) dávajúca výsledné s3. Proces začína náhodným generovaním populácie P [1], P [2], ..., P [M ] čísel z množiny S. Potom nasleduje cyklus. Funkcia RandomNum(1,M) produkuje náhodné celé čísla od 1 po M.

dokiaľ nie je splnená podmienka_ukončenia_cyklu opakuj slučku

začiatok slučky

i1:=RandomNumber(1,M);

s1:=P[i1];

i2:=RandomNumber(1,M);

s2:=P[i2];

s3:=reakcia(s1, s2);

ak s3≠0 potom P[i2]:= s3; koniec slučky;

Pre veľkosti populácie M =100, počet cyklov cez 5000 a prvú populáciu P generovanú z obmedzeného súboru čísel od 2 do 100 skonverguje k populácii obsahujúcej takmer iba prvočísla.

Plánovanie činnosti robotov

• Plánovanie činnosti robotov - klasická UI logickým rozborom situácie a modelu okolia v„mozgu“ robota, príliš zložité. Reaktívne správanie neurónovými sieťami či fuzzy logikou vyvíjanou evolučnými algoritmami. Brooks v MIT: subsumpčná architektúra, moduly nižšej úrovne reagujú na okamžité prekážky a na vyššej úrovni sa snažia splniť vytýčené ciele. Moduly asynchrónne a nezávisle, iba občas sa základné príkazy z vyššej úrovne dostanú na nižšiu alebo potlačia príkaz nižšej úrovne. Neexistuje centrálne riadenie. Inšpiráciou je hmyz, roboty takejto inteligenčnej úrovne aj veľkosti by sa dali použiť napr. na prieskum Mesiaca alebo Marsu.

Plánovanie činnosti robotov - pravidlá

1. Začať s jednoduchými úlohami.

2. Naučiť sa ich robiť bezchybne.

3. Pridávať ďalšiu úroveň riadenia nad výsledkami jednoduchých úloh.

4. Nemeniť základné veci, vyššie úrovne môžu iba potlačiť výstup nižších.

5. Naučiť novú vrstvu vykonávať veci tak dobre, ako to len bude možné.

6. Opakovať dookola.

Vozík Pathfinder skúmajúce r. 1997 Mars bol čiastočne autonómny

Sondy typu DEEP SPACE vypúšťané od r. 1999 sú ovládané iba základnými niekoľko príkazmi, namiesto niekoľko- stočlenného pozemského personálu ovládajúceho „normálne“ vesmírne sondy.

Ďalším cieľom je schopnosť robota vytvárať sociálne interakcie s človekom. Takýto robot potrebuje tak rozpoznávať, ako aj „cítiť“ emócie a správať sa emotívne. Príkladom je Brooksov robot Kismet (Cynthia Brazeal z MIT: Interakcie), schopný udržiavať vizuálny kontakt a rozoznávať hlasové prejavy a ich emocionálne zafarbenie. Emócie sú modelované z hľadiska psychologickej

Documents

Umelý život