人工生命研究的回顾与展望

人工生命研究的回顾与展望

1中外科学家所关注的科学家生命是什么本质？生命现象和生物智力的秘密是什么？这些问题一直为许多领域的科学家所关注。来自生命科学、计算机科学、非线性科学、复杂系统理论、人工智能等不同领域的研究者们从不同的学科视角和不同的学术观点,对上述问题进行了艰苦的探索,为人工生命学科的产生与发展奠定了坚实的基础。1.1复杂系统与生命技术的仿真研究20世纪后半叶,生命科学领域的生物化学家们一直在设法通过各种方法重现生命的基本形态。人工合成的蛋白质在实验室诞生,DNA双螺旋结构的实验使基因理论达到了分子生物学水平,遗传学和基因工程等为生命科学的研究提供了有力的工具,克隆技术实现了哺乳动物的无性繁殖。计算机科学领域的专家们则从信息处理的角度研究生命的本质。他们在计算机上对生命现象和智能行为进行过程仿真,从而再现生命的某些特征。应用人工系统对类似生命行为、现象的发生及其信息过程进行仿真,有助于对生命机理的了解,并可将生命过程的信息处理机制应用于工程技术领域。仿生学(Bionics)是60年代前后发展起来的以类似于生命系统的方式运行的系统科学。仿生学根据生物系统的生物原型,研究数学模型,建立技术模型,开发模仿生命系统功能、特征和现象的基于电子学、计算机程序、光机电硬件的工程技术系统,因此是一门基于生物科学与工程技术之间的边缘学科。仿生学的研究开发曾经一度引起热潮,取得了不少成果。但是,由于遇到生物原型、数学模型的困难,受到当时电子、计算机、光机电一体化工程技术水平的限制,仿生学的发展逐渐冷落。生命科学和计算机科学的结合给人们带来了更广阔的研究空间,基于计算机的非蛋白质媒体的人工生命形式的不断出现。例如,著名的元胞机(CellularAutomata)可以表现出比较复杂的生命现象,基于二维元胞机的生命游戏模型(LifeGame)在20世纪70年代曾十分流行。在分形理论研究中,AristidLindenmayer创立的L-system系统对植物形态的计算机模拟产生了深远影响;Biomorphy在计算机屏幕上演示了由基因控制的人工昆虫的生长形态。JohnH.Holland和DavidE.Goldberg根据进化论与遗传学原理提出了著名的遗传算法(GeneticAlgorithm),对遗传操作和进化机理的仿真有助于对生命系统特点和规律的分析与理解。20世纪70年代以来,非线性科学和复杂系统理论得到很大发展,耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变理论以及混沌学等复杂系统理论相继出现。主要研究复杂系统如何通过各部分之间的相互作用而产生从无序到有序、从简单到复杂的非线性过程,而这类过程与生物系统的进化过程和智能系统的学习过程有类似之处。可以认为,人工生命领域的研究正是对于以生命为研究对象的复杂系统的研究。例如,为了探讨生命的进化特征和自适应机理,需要研究在漫长的非平衡和不可逆生物进化过程中,个体或物种所具有的耗散结构及其非线性动态机制。人工智能领域的研究更注重对“自然智能的模拟、延伸和扩展”,特别是对人的智能的模拟、延伸和扩展,而“人的智能”是“人的生命”系统的主要功能和特性。基于知识推理的传统人工智能主要模拟人脑的逻辑思维和决策功能,基于突触连接的人工神经网络主要模拟人脑的形象思维和联想记忆功能,基于环境感知和行为响应的智能机器人系统则模拟人的行为智能。1987年,在美国LosAlamos召开了世界上第一次“人工生命”研讨会(ALIFEⅠ)。SantaFe研究所的C.Langton高度概括和提炼了人们关于生命系统仿真的各种见解,提出了“人工生命”(ArtificialLife)学科的概念和术语,从此,人工生命在国际学术界正式确立了其独立学科的地位。1.2ieee会议的内容“人工生命”问世以来,吸引了人工智能、神经网络、机器人、计算机、自动化等计算机科学、系统科学、生命科学领域的专家学者的广泛关注。近年来,人工生命的研究热潮已在美国、欧洲及日本兴起,并开始进入中国。在美国,以SantaFe研究所和MIT等为首,设立了人工生命的研究组织,主办了系列人工生命国际学术会议(TheInternationalConferenceonArtificialLife,简称ALIFE),从1987年到现在,每两年一次,于2000年8月召开了第七次会议。1994年,人工生命领域的权威刊物《人工生命》在世界著名学府麻省理工学院(MIT)正式出版。欧洲很快响应了人工生命这一新领域的挑战,于1991年由欧洲人工智能学会等主持召开了第一次欧洲人工生命国际学术会议ECAL(EuropeanConferenceonArtificialLife)。其后每两年举行一次,于2001年举行了第六次大会,形成了人工生命领域第二个著名的系列学术会议。在日本,以ATR研究所(AdvancedTelecommunicationResearch)与大分大学为代表,将人工生命与进化机器人研究相结合,从1996年起每年一次,主办了系列性国际学术会议AROB(TheInternationalSymposiumonArtificialLifeandRobotics),并且出版了国际性学术刊物《ArtificialLifeandRobotics》。除了上述系列学术会议外,IEEE也举办过几次内容相近的国际会议。下面对影响较大的美国ALIFE系列国际学术会议作一简要介绍。1)ALIFEⅠ1987年9月,美国SantaFe研究所在美国LosAlamas主办了第一次ALIFE国际会议——AnInterdisciplinaryWorkshopontheSynthesisandSimulationofLivingSystems。出席会议的学者近百名,会议论文集共收录论文24篇,主要内容包括:人工生命学科的理论生命现象的仿真、细胞自动机、遗传算法和进化仿真等5个方面。C.Langton在这次会上发表了题为“ArtificialLife”的开创性论文。这次会议标志着人工生命作为一门独立学科的正式诞生。2)ALIFEⅡ1990年2月,SantaFe研究所在美国SantaFe主办了第二次ALIFE国际会议——TheWorkshoponArtificialLife。会议论文集收录了31篇论文,内容涉及概貌、来源/自组织、进化动力学、开发、学习与进化、计算、哲学/突现、未来等8个方面。其中影响较大的有,C.Langton的著名论文“LifeattheEdgeofChaos”(生命产生于混沌边缘),JohnR.Koza的经典之作“GeneticEvolutionandCo-EvolutionofComputerPrograms”(遗传进化与计算机程序的共同进化),DavidAckley和MichaelLittman的“InteractionsbetweenLearningandEvolution”(学习与进化的交互)。由于AristidLindenmayer所创立的L-system已成为人工生命研究的重要工具之一,论文集扉页上还刊登了他的照片和纪念他的文字。3)ALIFEⅢ1992年6月,SantaFe研究所在美国SantaFe主办了第三次ALIFE国际会议——TheWorkshoponArtificialLife。论文集收录了26篇论文,主要内容分为遗传算法、进化仿真、突现行为、适配度概貌图、群体动力学与混沌机制、机器人规划应用等6个方面。其中,给人们留下深刻印象的两篇佳作是JohnR.Koza的“ArtificialLife:SpontaneousEmergenceofSelf-ReplicatingandEvolutionarySelf-ImprovingComputerPrograms”(人工生命:自复制与进化的自改善计算机程序的自发突现)和KunihikoKaneko与JunjiSuzuki的“EvolutiontotheEdgeofChaosinanImitationGame”(向模仿游戏的混沌边缘演变)。这两篇论文分别从遗传编程和混沌学两个方面探讨了在人工生命的研究中起关键作用的“突现”机理。4)ALIFEⅣ1994年7月,MIT在美国Cambridge主办了第四次ALIFE国际会议——TheFourthInternationalWorkshopontheSynthesisandSimulationofLivingSystemse。论文集收录了56篇论文,主要内容包括共同进化、遗传算子、进化与其它方法的综合、人工生命算法、人工生命建模、人工生命应用、混沌边缘与分叉研究、Baldwin效应、学习能力、进化动力学、细胞自动机、DNA非均衡学说研究等,多达12个方面。其中3位日本学者:HirofumiDoi、Ker-nosukeWada和MitsuruFurusawa的研究论文“AsymmetricMutationsDuetoSemiconservativeDNAReplication:Double—StrandedDNATypeGeneticAlgorithms”,介绍了DNA非均衡假说研究的新进展。5)ALIFEⅤ1996年5月,日本著名的研究机构国际电气通信基础技术研究所(ART)在奈良主办了第五次ALIFE国际会议,显示了日本在人工生命领域的研究进展和实力。日本在人工生命领域的研究虽然晚于美国,但其研究具有将人工生命与智能机器人结合的特点,研究成果与水平已赶上美国。我国于1997年8月,由中科院系统科学研究所、自动化研究所和华中理工大学图象识别与人工智能研究所在北京共同举办了国内第一个“人工生命与进化机器人”研讨班。该活动邀请了10位国内外专家作了15个专题讲演,并就“人工生命与复杂性”、“进化机器人”两个专题展开研讨,为吸引更多中国学者关注、了解和投入人工生命研究领域起到了重要作用。2002年10月,由中国人工智能学会举办的国内第一届“人工生命及其应用”专题学术会议在北京召开。会议有特邀报告和专题报告30多篇,来自中国科学院、中国社会科学院、清华大学、北京邮电大学、重庆大学、浙江大学、北京科技大学、北京工商大学、西北工业大学和青岛大学等全国10所研究单位和高校的专家学者共聚一堂,交流有关“人工生命”的研究开发及应用成果,这是我国人工生命学术界的第一次重要盛会。从人工生命学科诞生15年来频繁的国际学术活动可以看出,人工生命已成为当前国际学术论坛的十分受关注的热门话题之一。十几年来,在C.Langton倡导的“人工生命”研究框架下,国际上在“细胞级”、“器官级”和“个体级”人工生命(内部系统),以及“群体级”和“生态系统”级人工生命(外部系统)等诸方面取得了丰硕研究成果。随着研究领域的拓展,人工生命概念在不断丰富和发展。2生命与生命的形式化基础C.Langton作为人工生命学科的创始人,对人工生命的概念提出了一些著名的描述性定义。主要观点归纳如下:1)关于人工生命学科的定义C.Langton提出:“人工生命是研究展示自然生命系统行为特征的人造系统的学科”。这里,生命的“行为”是自然生命系统的“外部表现”,是各种可见的生命现象,例如,生命的生长、繁殖、新陈代谢、进化等等。至于高级生命所具有的意识、思维、智能等内在特性与功能,显然并不包含在内。2)关于人工生命学科的研究范围或内容C.Langton提出:“通过将生物学的经验性基础拓展到地球上已进化的碳链生命范围之外,人工生命把‘已知的生命形式’定位于‘可能的生命形式’的广阔图象中,从而可对理论生物学作出贡献”。C.Langton认为人工生命的研究应拓宽生物学的基础,定位于研究地球上已进化的碳链生命之外的更大范围的生命,即非碳链生命。因此他所指的“人工生命”是由工程技术制造的非碳链的、基于计算机和其他媒体的可能形式的生命,或者说人工生命只涉及生命的形式化基础。由“克隆技术”、“基因工程”等生物科学方法和技术制造的“克隆动物”、“转基因动物”属于碳链生命,显然不在C.Langton定义的人工生命的研究范围内。3)关于人工生命学科的实现方法与技术C.Langton提出:“人工生命是研究怎样通过抽取生物现象中的基本动态规律来理解生命,并且在物理媒介,如计算机上,重建这些现象,使它们成为一种新的实验方式并可操纵”。在计算机上重建生命现象是人工生命的主要实现方法与技术。C.Langton认为基于计算机的人工生命软件模型应有以下基本特征:①人工生命由简单的程序或设定了行为的个体的群体组成(Theyconsistofsimpleprogramsorspecifications.);②没有一个主控程序,各程序呈松耦合结构(Thereisnosingleprogramthatdirectsalloftheotherprograms.);③每一个程序详述环境中一简单个体局部反应于其它个体的方式(Eachprogramdetailsthewayinwhichasimpleentityreactstolocalsituationsinitsenvironment,includingencounterswithotherentities.);④系统中不包含任何指定全局行为的规则(Therearenorulesinthesystemthatdictateglobalbehavior.);⑤任何高于个体程序层面上的行为都是自行“突现”的,是不可预测的(Anybehavioratlevelshigherthantheindividualprogramsisthereforeemergent.)。4)关于生命的表现形式C.Langton认为:“生命是一种行为,而不是一种物质材料”。C.Langton强调生命是一种行为而不是一种物质材料,具有非物质的形式性质,是物质组织的结果。因此,生命是由更简单的行为组成,而非简单的材料组成。5)关于人工生命学科的方法论C.Langton提出:“它试图通过对计算机和其它人工媒介内的类似生命的行为进行综合,以实现与关于活有机体分析的传统生物科学进行互补”。这一观点暗示人工生命学科的研究方法将采用与传统生物科学研究的分析方法相反的综合方法。由于传统生物学主要关心生命的物质基础,而非形式基础,因而将活组织视为复杂的生化机器,采用自顶向下的分析方法工作。而生命的行为是复杂的非线性系统所呈现的特性,线性系统与非线性系统的本质区别在于,线性系统的整体行为是其各部分的行为之和,而非线性系统的整体行为大于其各部分行为之和。即使把非线性系统分解为更简单的组件,分别对各组件研究透彻,也不能保证通过组合方式,即可理解非线性系统。非线性系统的关键特征是非线性系统的行为是其各组件交互作用的表现。因此研究非线性系统时,往往用与“分析方法”相反的方法——“综合法”。3人工生命系统与生命C.Langton认为,“人工生命的关键概念是突现行为。自然生命从大量无生命分子的有机交互作用中突现,其中并不存在一个全局控制器对各部分的行为进行控制。更正确地说,各个部分只有某种自身行为,而生命突现于各部分行为局部交互作用的整体。人工生命正是用自底向上的、分布的、局部的行为决定方法论来获得类似生命行为的突现行为”。根据C.Langton的人工生命的突现演化观,生命的规律是一种动态形式的规律,人工生命的特征并不存在于单个物质之中,而是存在于物质的组合之中。有生命的系统几乎总是自下而上地、从大量极其简单的系统群中‘突现’出来,而不是工程师自上而下设计的机器。正如计算机的机制在于软件,而不在于硬件一样,生物体的“生命力”存在于分子的组织(软件)之中,而不是存在于分子本身(硬件)。当人们能够从“可能的生命形式”这个意义上来看待“已知的生命形式”时,才能真正理解生命的本质,并可能用计算机或机器人等新型媒介来探索其它生命形式的可能性。C.Langton的人工生命系统是指用计算机和精密机械等生成或构造的、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和演化方式。C.Langton论述了在关键相变附近(混沌边缘)的信息复杂动态行为的自发突现,即:关键相变(混沌边缘)揭示了生命和智能的起源和演变。VonNeumann证明了“至少有一种能够自我繁衍、进化的元胞自动机存在”。30年后,C.Langton研究了“在什么条件下元胞自动机的信息动态行为会自发‘突现’出来并主宰元胞自动机的行为”,并在计算机上创建出了能自我繁衍的元胞自动机。他发现:元胞自动机这个动态系统的行为随着参数的变化会显示出某种“相变”现象。当参数由小到大变化达到一定程度时,元胞自动机的行为从有序状态向无序状态或混沌状态的转变,使其产生了极其复杂的行为:它的各个部分以一种奇妙的复杂方式繁衍、生长、分裂和重组,几乎无法安顿下来。C.Langton把具有这种行为状态的元胞自动机称为处于“混沌边缘”(edgeofchaos)。在混沌边缘,既有足够的稳定性来存储信息,又有足够的流动性来传递信息。4人工生活的结果表明“人工生命学科”诞生十几年来,在“细胞级”、“器官级”、“个体级”和“群体级”人工生命等方面取得了丰硕的研究成果。例如:4.1数字生命世界所谓“数字生命”专指那些以数字计算机为生成工具和生存环境、以计算机软件为“生命个体”的人工生命。这方面以T.ray的‘数字生命世界’Tierra为代表。T.ray把生物学上有机体进化的概念引入计算机领域,用数字计算机提供的资源、CPU时间及操作系统为数字生命提供生存环境。数字生命以数字为载体,用于探索生命进化过程中所出现的某些现象、行为,特别是系统的“突现”行为。4.2“人类社会文化与经济发展的进化过程”JoshuaM.Epstein和R.Axtell在计算机上创建了一个名为“糖境”(Sugarscope)的“数字社会”,可用来研究人类社会文化和经济的进化过程。它包含:①一群具有自主性的行为者;②一个独立的生存环境;③管理者、行为者与环境之间以及环境中各个不同要素之间相互作用的规则。数字社会是由各个行为者自组织形成的,即由各个行为者在简单规则的支配下,与人工环境交互作用突现形成的。数字社会的行为者是能够随时间发生变化或者具有适应性的数据结构,具有遗传特性、文化特性及行为规则。4.3cwell模型KeithDowning建立了一个名为“欣快区”EUZONE(euphoticzone)的进化的水中数字生态环境,目的是提供一种实验手段,用以观察生态系统如何从原始状态进化,以及复杂生态系统突现行为。它利用物理和化学模型,结合进化规律,建构以碳元素为基础的水中生态环境,可用以观察到低等动物的形体进化及生存竞争。4.4基于人工脑的开发模型ART的进化系统部(EvolutionarySystemsDepartment)致力于开发新的信息处理系统,称为“人工脑”(ArtificialBrain)。其研究计划目标是:人工脑不仅能够自发地形成新的功能,而且能够自主地形成自身的结构。研制者并不想单纯地再现生物大脑的功能和结构,而是想开发出在某些方面优于“生物脑”的信息处理系统。4.5实现突现的智能机器人RodneyA.Brooks提出了基于行为的设计方法,研制出比传统设计方法行动更快和更灵活的进化机器人。对于同一任务,该方法的编码长度可以是传统设计方法的千分之一。进化机器人的操作方式是自主型的,其定位和移动等是突现形成的,其“智能”也是由各个并行的分布的“小过程”自组织“突现”形成的。进化机器人比传统机器人具有更快的速度和更好的灵活性和鲁棒性,进化算法可以比较容易地植入到这样的系统中,其软硬件的设计以及测试费用都比以前要少。D.Floreano和F.Mondad成功地用Kheoera机器人实现了一个进化系统。1990年,PattieMaes用“增强学习”(reinforcementlearning)策略实现了六足Genghis机器人的步行协调。TakashiGmi用进化方法在八足OCT-1b机器人上实现了步行协调。进化机器人是机器人发展的一个新方向,它把人工生命的概念和思路引入到这个领域。4.6关注虚拟生物的形成和操纵1994年,ChristaSommereer和LaurentMignonneau创建了“交互式计算机装置”(Interactivecomputerinstallations)A-Volve,用户可以自己创造人工生物,与它们交互作用并观察它们的进化过程。在实时交互式环境A-V