Usuari:Josep Panadero/Vida artificial

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 a "Artificial Life I" ("Vida Artificial I") a l'Alamos National Laboratory el 1987. En anglès també es coneix com a alife, per la contracció de les paraules "artificial life".

Característiques 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 tant en la seva història com en els mètodes. La investigació d'intel·ligència artificial organitzada va començar ben aviat en el panorama de la història de les calculadors digitals, i en aquells anys es caracteritzava, sovint, per una enfocament "de dalt a baix" (top-down) basat en xarxes complexes de regles. Els estudis de vida artificial no van tenir un camp organitzat fins als anys 80, i sovint treballaven aïllats, sense tenir coneixement d'altres especialistes que feien treballs similars. Si en alguna 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.

Tot i que són possibles altres classificacions, els investigadors de vida artificials sovint s'han dividit en dos grups principals en relació al seu posicionament sobre el tipus de vida artificial:

• La posició de vida artificial dura/forta, que 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 simulava vida en un ordinador, sinó que 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 o GA, de l'anglès Genetic Algorithm)
• Programació genètica
• Intel·ligència d'eixam
• Optimització de colònies de formigues)
• Química artificial
• Models basats en agents
• Autòmats cel·lulars (CA, de l'anglès Cellular Automata).

Sovint aquestes tècniques es veuen com a subcamps de la vida artificial i els articles tècnics sobre diversos temes, s'inclouen i són acceptats en conferències sobre la vida artificial. I això serà així fins que el seu camp disciplinari s'hagi desenvolupat prou com per a celebrar les seves pròpies conferències. Al llarg dels darrers anys, la vida artificial també ha treballat en un tipus de 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 pròpia disciplina. Com a camp, ha tingut una història controvertida; John Maynard Smith criticava el 1995 algun treball de vida artificial denominant-la "ciència lliure de fet", i no ha rebut generalment gaire atenció dels biòlegs. Tanmateix, la publicació recents d'articles de vida artificials en revistes importants com Science i Nature és una evidència que les tècniques de vida artificial estan sent més acceptades, com a mínim com un mètode que estudia l'evolució.

Precedents

El tema de la vida artificial està present a la mitologia i les arts, en un intent d'igualar l'home a Déu creador. Un exemple seria Pigmalió, enamorat de la seva estàtua que vol infondre-li vida, mite que apareix també en contes com Pinotxo. Els monstres creats del no-res, com el golem o Frankenstein són els precedents literaris i cinematogràfics dels robots posteriors. Certs ritus de màgia permetien animar objectes temporalment mitjançant encanteris.

Història i contribucions

Avanç de les computadores

Unes quantes invencions de l'era predigital eren heralds de la fascinació de la 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 va fer malbé.

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, un 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 extraordinàriament complicat amb posteriors autòmats cel·lulars, tenia cents de milers de cèl·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, sinó que també como una computadora universal tal com va definir Alan Turing. Aquest "constructor universal" llegia d'una cinta d'instruccions i escrivia una sèrie de cèl·lules que podien ser activades per a deixar una còpia completament funcional de l'original i la seva cinta. Von Neumann va treballar en la seva teoria d'autòmats intensivament fins al moment de la seva mort, i el va considerar el seu treball més important.

Homer Jacobson va il·lustrar l'auto replicació de forma bàsica als anys 50 amb un model d'un grup d'aprenentatge—un "organisme" llavor que consistia en un "cap" i un vagó de "cua" que podien usar senzilles regles del sistema per crear de forma consistent nous "organismes" idèntics a ell mateix, sempre que 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 còpies 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 nombre 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 el 1980 un estudi en la possibilitat d'una fàbrica lunar auto construïda.

El professor de Cambridge John Horton Conway va inventar l'autòmat cel·lular més famós 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.

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 basava en la 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 són la base d'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 captivar el Joc de la Vida de Conway, i va començar a perseguir la idea que una computadora pot emular criatures vives. Després d'anys d'estudi (i un quasi fatal accident d'ala delta), va començar a intentar actualitzar l'autòmat cel·lular de Von Neumann i el treball d'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 l'octubre del 1979, utilitzant 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 conferència "Artificial Life I" va ser la primera descripció d'un camp que abans quasi no existia:

La vida artificial és l'estudi de sistemes artificials que exhibeixen comportaments i característiques de sistemes vivents naturals. És la cerca que tracta d'explicar la vida en qualsevol de les seves possibles manifestacions, sense restriccions a un exemple particular que hagi evolucionat a la Terra. En són inclosos experiments biològics i químics, simulacions per ordinador, i iniciatives purament teòriques. Els processos que ocorren a una escala molecular, social i evolutiva són objecte d'investigació. L'objectiu final és extreure la forma lògica dels sistemes vius.

La tecnologia microelectrònica i l'enginyeria genètica aviat ens donaran capacitat per crear noves formes de vida tant en silici com in vitro. Aquesta capacitat presentarà a la humanitat els reptes tècnics, teòrics i ètics de més gran abast amb els que mai hagi estat confrontada. El moment sembla apropiat per reunir a aquells involucrats en l'intent de simular o sintetitzar aspectes de sistemes vius.

Ed Fredkin va fundar el Information Mechanics Group (Grup d'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 a la mida d'una única placa de circuits. Aquesta "màquina d'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 fenòmens naturals com les conquilles marines i la naturalesa del creixement de les plantes. Norman Packard, que va treballar 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 d'esbarts d'ocells en grups de "boids" dibuixats per ordinador l'any 1987. Sense cap mena 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 la investigació en vida artificial segons els creadors de pel·lícules intenten trobar maneres més realistes i barates d'animar formes naturals com plantes vives, moviments d'animals, creixement de cabells, 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 treball de l'entomòleg E.O. Wilson a la investigació d'insectes socials, particularment allelomimesis, en la qual les accions individuals són dictades pels veïns. Van desenvolupar equacions diferencials parcials que modelaven les formes creades per tèrmits quan construeixen el seu niu. Llavors van comparar-les amb la reacció de tèrmits reals amb canvis idèntics als tèrmits de laboratori, i van redefinir les seves teories de les regles que són a la base del seu comportament.

J. Doyne Farmer va ser una figura clau en lligar la investigació de vida artificial al camp emergent dels 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 què 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.

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 d'entendre els mecanismes darrere del plegament proteic.

Altres personatges:

• Brian Silverman, iniciador dels algorismes filiformes
• 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

Simuladors d'organismes digitals/vida artificial

Basats en programació

Inclouen organismes amb un llenguatge DNA complex, usualment Turing-complet. Aquests llenguatges són usualment en forma d'un programa d'ordinador, en comptes de DNA biològic.

• Avida
• Breve
• Darwinbots
• Framsticks [1]
• Grey Thumb Society Simulators
  • Archis [2]
  • Nanopond [3]
• Physis [4]
• Tierra
• Evolve4.0 [5]

Basats en paràmetres

Els organismes són construïts generalment amb comportaments predefinits que són afectats per diversos paràmetres que muten. Això implica que cada organisme conté una col·lecció de números que canvien i afecten el seu comportament de maneres ben definides.

• Programari de Ventrella
  • Darwin Pond [6]
  • Gene Pool [7]

Basats en cèl·lules

Els organismes són construïts com a cèl·lules individuals, amb gens que expressen proteïnes. L'expressió genètica afecta el comportament de la cèl·lula. L'objectiu aquí és usualment il·lustrar les propietats emergents d'organismes pluricel·lulars.

• Cell-O-Sim [8]
• Kyresoo Plants [9]

Basats en xarxes neuronals

Aquestes simulacions tenen criatures que aprenen i creixen usant xarxes neuronals o derivats propers d'aquestes. L'ènfasi es posa més en el creixement i l'aprenentatge que a l'evolució.

• Creatures
• NERO - Neuro Evolving Robotic Operatives [10]
• Noble Ape
• Polyworld