第12章人工生命

2020/1/29第12章人工生命1第12章人工生命12.1人工生命及其发展12.2人工生命研究方法和策略12.3人工生命理论与技术12.4人工生命的表现形式12.5人工生命发展与展望2020/1/29第12章人工生命2第12章人工生命1.引言2.研究人工生命的原因3.人工生命的探索4.人工生命的模型5.人工生命的研究方法和战略6.计算机生命7.细胞自动机8.形态形成理论9.混沌理论10.人工生命的研究平台11.群体智能及蚁群算法12.人工鱼和自然动物2020/1/29第12章人工生命31.引言人工生命定义1：人工生命是一种能够再现自然界生物行为特征的人造系统；或者说是一种研究具有自然生命系统行为的人造系统。2020/1/29第12章人工生命4人工生命定义2：人工生命是研究怎样通过抽取生物现象中的基本动力规则来理解生命，并且在物理媒体(如计算机)上重建这些现象，使它们成为一种新的实验方式而受到操纵。2020/1/29第12章人工生命5人工生命定义3：在人工生命中，所有存在或将会存在的事物中，我们至少可以说这一领域从总体来说，代表了一种尝试：就是加重了生物学中合成理论的分量。2020/1/29第12章人工生命6人工生命定义4：人工生命模型有足够强大的功能来获取复杂系统中更多的认知。这种方式较之自然系统是一种能更容易被操纵、重复和精确控制的实验。2020/1/29第12章人工生命7人工生命人工生命：实际上是一种用计算机和精密机械等生成或构造表现自然生命系统行为特点的仿真系统或模型系统。自然生命系统的行为特点：表现为自组织、自修复、自复制的基本性质，以及形成这些性质的混沌动力学、环境适应和进化。2020/1/29第12章人工生命8人工生命人们普遍认为：生命系统是一个复杂系统。在现实世界中，存在着各类复杂系统，一般认为：非线性、不稳定性、不确定性是造成复杂性的根源。复杂事物只能照它复杂的面貌来理解。2020/1/29第12章人工生命9人工生命应该强调指出：人工生命中的“人工”是指它的组成部分，即计算机芯片、电路设计及组成结构、计算规则等是人工的；但人工生命系统的行为并不是人工的。换言之，人工生命展示的生命活动则是系统独立自主产生的行为。2020/1/29第12章人工生命10人工生命人工生命研究，如同面临一个复杂的适应系统：诸如生态系统、脑、社会现象等。在这种复杂系统中，科学研究中过去认为行之有效的方法，如“分治”将无法有效运用。“分治”是将研究对象分为组成要素，经简化后再逐一分析、各个击破，加以综合而理解；而人工生命这种复杂的事物与对象，只能按其复杂的面貌来认识与理解。2020/1/29第12章人工生命11相关会议9th,12-15,Sept.2004,Boston,USA8th,9-13,Dec.2002,UniversityofNewSouthWales,Australia7thInternationalConferenceonArtificialLife,ReedCollege,Portland,Oregon,USA.1-6August2000LookingBackward,LookingForward6thInternationalConferenceonArtificialLife4thInternationalConferenceonArtificialLife3rdInternationalConferenceonArtificialLife2ndInternationalConferenceonArtificialLife1stInternationalConferenceonArtificialLife,19872020/1/29第12章人工生命129thAlifeArtificialLifeisthestudyoflifeasanorganizationalprinciple,ratherthanasitexistsonEarthascarbon-based.HighlyinterdisciplinaryacrossPhysics,Biology,ComputerScience,andComplexSystems,someofthefundamentalquestionsare:1、Whataretheprinciplesofevolution,learningandgrowthwhichcanbeunderstoodwellenoughtosimulateasaninformationprocess?2、Canrobotsbebuiltfasterandcheaperbymimickingbiologythanbytheproductdesignprocessusedforautomobilesandairplanes?2020/1/29第12章人工生命139thAlife3、Whatkindsofconstraintsshouldbeplacedonsciences,suchasWetAlifewhichworkwithself-replicatingelements?4、Whatcomponentsofphysicsandchemistrysupportemergenceandautomaticdiscoveryofphysicalandcognitivemechanismsoflifeforms?5、Howcanweunifytheoriesfromdynamicalsystems,gametheory,evolution,computing,geophysics,andcognition?10yearsago,theALIFE4conferenceinBostonheraldedbreakthroughssuchasKarlSim'sco-evolvingcomputergraphiccreatures.Cometothismeetingtoseewhatthenextdecadewillunleash!2020/1/29第12章人工生命14相关刊物ArtificialLife(MITPress)AdaptiveBehavior(MITPress)ArtificialLifeandRobotics(SpringerVerlag)AdvancesinComplexSystems(formerlyJournalofComplexSystems)(EditionsHermes)BiologicalCybernetics(SpringerVerlag)Complexity(Wiley)Cybernetics&SystemsAnalysis(Plenum)Evolution(SocietyfortheStudyofEvolution)EvolutionofCommunication(JohnBenjaminsPublishingCo.)EvolutionaryComputation(MITPress)2020/1/29第12章人工生命15相关刊物IEEETransactionsonEvolutionaryComputation(IEEE)IEEETranscationsonFuzzySystems(IEEE)IEEETransactionsonNeuralNetworks(IEEE)IEEETransactionsonSystems,Man,andCyberneticsB:Cybernetics(IEEE)JournalofComplexity(AcademicPress)JournalofSocialandEvolutionarySystems(JAI)JournalofTheoreticalBiology(Academic)Kybernetes(MCB)OpenSystems&InformationDynamics(Kluwer)2020/1/29第12章人工生命16AIvs.AL1.Complexhumanfunctions2.Top-down3.GlobalControl4.ComplexRules5.Preprogrammedbehavior6.Knowledge-Representation1.Basicnaturalbehavior2.Bottom-up3.LocalControl4.SimpleRules5.Emergentbehavior6.AvoidKnowledge-Representation&Planning2020/1/29第12章人工生命172.研究人工生命的原因人工生命的研究可使我们更好地理解突发特征，个体在低级组织中的集合，通过我们的相互作用，常可产生特征。人工生命将会成为研究生物的一个特别有用的工具。对于发展新技术及增强我们控制自然的能力，人工生命系统是很有潜力的。人工生命的另一显著应用是遗传工程。2020/1/29第12章人工生命183.人工生命的探索20世纪初，逻辑在算术机械运算中的运用，导致过程的抽象形式化。40年代末，50年代初，冯.诺伊曼提出了机器自增长的可能性理论。以计算机为工具，迎来了信息科学的发展。70年代以来，科拉德(Conrad)和他的同事研究人工仿生系统中的自适应、进化和群体动力学，提出了不断完善的“人工世界”模型。80年代，人工神经网络又兴起，出现了许多神经网络模型和学习算法。与此同时，人工生命的研究也逐渐兴起。1987年召开了第一届国际人工生命会议。2020/1/29第12章人工生命194.人工生命的模型1.计算机病毒2.计算机的进程3.生物统计学和个体胎生学4.机器人5.自催化(autocatalytic)网络6.细胞自动机7.人工核苷酸2020/1/29第12章人工生命205.人工生命的研究方法和战略按照人工生命的组织机构，人工生命的内容大致可以分成两类：1)构成生物体的内部系统。包括脑、神经系统、内分泌系统、免疫系统、遗传系统、酶系统、代谢系统等。2)在生物体及其群体中表现为外部系统。生物群体中环境适应系统和遗传进化系统等。2020/1/29第12章人工生命21当前构建人工生命的途径主要有三类。（1）通过软件的形式来构建人工生命:比如用计算机编程的方法，所实现的各类人工生命系统。由于这类系统以计算机为平台，其行为主要通过程序模拟而虚拟地表现出来，故又被称之为虚拟人工生命或数字人工生命。例如，在1990年，美国热带雨林专家托马斯·雷(ThomasRay)创建虚拟地球（Tierra）生命模型，曾经轰动了人工生命学术界。人工生命的构造途径2020/1/29第12章人工生命22（2）通过硬件的形式来构造人工生命:如用计算机软、硬件技术、微电子、精密机器技术、仿生学、人工智能方法和技术等设计和制造人工生命，被称为是“现实的人工生命”，如各种机器人模型等。人工生命的构造途径2020/1/29第12章人工生命23（3）通过“湿件”(wetware)的方式来构造人工生命:比如以现有的生命分子为基础,在试管中通过生物化学或遗传工程的方法合成或创造人工生命,即纯生物学的方法。如用人工方法合成蛋白质,用克隆技术进行无性繁殖产生人工生命,如克隆羊等。但是，许多学者批评这种方式不是真正意义上的人工生命,认为真正的人工生命应该完全从无生命物质开始合成生命。人工生命的构造途径2020/1/29第12章人工生命241)模型法。•根据内部和外部系统所表现的生命行为，建造信息模型。2)工作原理法。•生命行为所显示的自律、分散和非线性的行为，它的工作原理是混沌和分形，据此研究它的机理。人工生命研究的方法2020/1/29第12章人工生命251)采用以计算机等信息处理机器为中心的硬件生成生命行为。•一种是采用已有的信息处理机器和执行装置，实现具有人工生命行为的系统。•另一种是用生物器件构造生命系统。这些都通称为生物计算机，这是一种向人工生命接近的方法。2)用计算机仿真，研究开发显示生命体特征行为的模型软件。简单地说，神经网络系统和遗传算法等，都是采用信息