什么是人工生命？其分类及研究方法是什么？

jack

       人工生命是指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。

       美国圣菲研究所非线性研究组的兰顿(C.G. Langton) 于1987年提出人工生命(artificial life)[61]。人工生命的独立研究领域的地位已被国际学术界所承认。在1994年创刊并在世界著名学府麻省理工学院出版的国际刊物Artificial Life，是该研究领域内的权威刊物。


       为什么要研究人工生命？在这一领域研究时要支持哪些东西。从控制我们的生态环境的工程新应用到在自然界中为我们提供较好的前景这个广阔的范围，都可以找到它的应用。 人工生命的研究可使我们更好地理解涌现特征，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。该特征不仅仅是个体的重叠，而且是总体上新的出现特征。这样的现象可见于自然界的所有领域，但在生命系统中更为明显。生命本身确实有涌现性质，当总体分解为它们的组成部分时，相互作用所产生的涌现性质将全部消失。归约科学，它的研究方法今天看来是最严肃的学术研究，其中大部分是分析的方法。归约科学在各个领域都已取得很大成功。但自然的很多特性都被忽略，这并不是因为这些特性是无趣的或不重要的，相反，人们研究这些特性，但缺乏适当的工具和有效的方法来研究，人工生命领域的研究必须是综合的，把所有的因素综合考虑以创造生命形式，而不是肢解。


       有很多方法使得新的特性可能涌现，虽然，通过自然选择的进化，增加了复杂性，使这些方式不易得到和难以应用。在研究人工生命中共同的工具和方法很可能对其它领域也是有用的，许多杰出的物理学家研究涌现性质已引起人工生命界的注意，对于研究自然界中的涌现性质，人工生命提供了一种非传统的途径。

       人工生命将会成为研究生物的一个特别有用的工具。对于研究像熵条件这样的抽象课题，可以支持有关生命问题的研究。长期以来，从有机体的简单模型到研究复杂现象，对生物方面的研究已取得了一定的效果。


       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的外部系统。生物群体中环境适应系统和遗传进化系统等。


       从生物体的内部和外部系统所得到的各种信息，构成人工生命研究的方法，主要有两类：
       (1) 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。


       人工生命研究的基础理论是细胞自动机理论、形态形成理论、混沌理论、遗传理论、信息复杂性理论等。在细胞自动机中，被改变的结构是整个有限自动机格阵。在这种情况下，局部规则组是传递函数，在格阵中的每个自动机是同构的。所考虑修改的局部上下文是当时邻近的自动机的状态。自动机的传递函数构造一种简单的、离散的空间/时间范围的局部物理成分。要修改的范围里采用局部物理成分对其结构的“细胞”重复修改。这样，尽管物理结构本身每次并不发展，但是状态在变化。当系统的规模低于临界规模，则自复制装置不可避免地只能制造比自已更小型、更简单的子孙; 一旦系统超过临界规模，则不仅可以自复制，而且有可能制造出比自已更复杂的子孙，即具有进化的可能性。


       典型的形态形成理论是1968年林德迈伊（Lindenmayer）提出的L-系统。L-系统由一组符号串的重写规则组成，它与乔姆斯基(Chomsky)形式语法有密切关系。在下面“X → Y”表示结构中当出现X时用字符串Y代替。因为字符X可以出现在规则的右边和左边，这组规则可以被递归地应用来重写新的结构。它是从生命行为中的形态形成侧面来说明其形态形成和发生行为。


       前面2种理论是基础理论，是从定义简单状态来生成复杂系统的理论，而混沌理论则是用以说明在自然界绝对法则下，何以会存在像生命这样能够进行自组织化规象的一种理论。它是关于如何从完全混乱状态(高熵状态)变成有序状态（低熵状态)的理论。


       遗传算法是把生物和生物群体适应环境及适应环境的结果进化作为模型， 以生物求生存的表现形态，作为遗传基因加以符号串化后给予各个生物。这样的生物在环境限制下，交替地进行繁殖、交叉、变异而繁衍后代，通过这样的处理，便可获得对适应环境具有最优信息的生物。


       人工生命的研究平台的目标是通过计算机对生命行为特征的模拟，可以最终形成生命计算理论。即计算机不会成为生命体，但可以作为研究人工生命的强有力工具，除了能表现出生命的一些基本行为，还能表现生命的一些特有行为, 如自组织、自学习等。研究这些平台不仅有助于解释生命的全貌及探索生命的起源和进化，而且也为生物学研究提供了新的途径，同时也为人工生命的研究提供了有用的工具。

影片《人工智能》

导演：斯蒂文·斯皮尔伯格Steven Spielberg
主演：海利·乔·奥斯蒙特Haley Joel Osment
　　　裘德·洛Jude Law
　　　弗朗西斯·奥康纳Frances O'Connor
　　　威廉·赫特William Hurt
　　　罗宾·威廉斯Robin Williams（旁白）
类型：科幻
级别：PG-13（性/暴力镜头）
发行：华纳兄弟公司Warner Brothers
        21世纪中期，由于气候变暖，南北两极冰盖的融化，地球上很多城市都被淹没在了一片汪洋之中。此时，人类的科学技术已经达到了相当高的水平，人工智能机器人就是人类发明出来的用以应对恶劣自然环境的科技手段之一。
　　先进的人工智能机器人不但拥有可以乱真的人类外表，而且还能像人类一样感知自己的存在。大卫（海利·乔·奥斯蒙特）就是这样一个有思想、有感情的小机器人，他被一对人类父母所收养，有一个哥哥和一个贴身的伙伴——机器泰德熊。但这些并不能让大卫满足，他一直渴望着自己终有一天不再仅仅是个机器人。抱着对这个愿望的执着，11岁的大卫踏上了漫长的心路历程，跟随在他身边的，还有另一个善良的机器人乔（裘德·洛）。谁也不知道他们能否完成自己的心愿，脱胎换骨成为真正的人，等待他们的只有凶吉难料的对复杂人性的追寻……  


参考文献

    -史忠植.   高级人工智能（第二版）.  科学出版社,  2006.  
    -史忠植，王文杰. 人工智能. 国防工业出版社, 2007.  
    -涂序彦，尹怡欣. 人工生命及应用.  北京邮电大学出版社, 2004