Самовоспроизводящаяся машина — это тип автономного робота , способного воспроизводить себя автономно, используя сырье, найденное в окружающей среде, тем самым демонстрируя самовоспроизводство способом, аналогичным тому, который встречается в природе . [1] [2] [3] Концепция самовоспроизводящихся машин была выдвинута и исследована Гомером Якобсоном , Эдвардом Ф. Муром , Фрименом Дайсоном , Джоном фон Нейманом , Конрадом Цузе [4] [5] и в более позднее время К. Эриком Дрекслером в его книге о нанотехнологиях « Двигатели творения» ( введя термин «лязгающий репликатор» для таких машин) и Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклем в их обзоре «Кинематические самовоспроизводящиеся машины» [6] , который предоставил первый всесторонний анализ всего пространства проектирования репликаторов. Будущее развитие такой технологии является неотъемлемой частью нескольких планов, включающих добычу лун и поясов астероидов для добычи руды и других материалов, создание лунных фабрик и даже строительство спутников солнечной энергии в космосе. Зонд фон Неймана [7] является одним из теоретических примеров такой машины. Фон Нейман также работал над тем, что он называл универсальным конструктором , самовоспроизводящейся машиной, которая могла бы эволюционировать и которую он формализовал в среде клеточных автоматов . Примечательно, что схема самовоспроизводящихся автоматов фон Неймана постулировала, что открытая эволюция требует, чтобы наследуемая информация копировалась и передавалась потомству отдельно от самовоспроизводящейся машины, понимание, которое предшествовало открытию структуры молекулы ДНК Уотсоном и Криком и того, как она отдельно транслируется и реплицируется в клетке. [8] [9]
Самовоспроизводящаяся машина — это искусственная самовоспроизводящаяся система, которая опирается на обычные крупномасштабные технологии и автоматизацию. Концепция, впервые предложенная фон Нейманом не позднее 1940-х годов, привлекла целый ряд различных подходов, включающих различные типы технологий. В литературе иногда встречаются определенные идиосинкразические термины. Например, термин «лязгающий репликатор» когда-то использовался Дрекслером [10], чтобы отличить макромасштабные реплицирующие системы от микроскопических нанороботов или « ассемблеров », которые могут стать возможными благодаря нанотехнологиям , но этот термин неформальный и редко используется другими в популярных или технических дискуссиях. Репликаторы также назывались «машинами фон Неймана» в честь Джона фон Неймана, который первым тщательно изучил эту идею. Однако термин «машина фон Неймана» менее конкретен и также относится к совершенно не связанной компьютерной архитектуре , предложенной фон Нейманом, и поэтому его использование не рекомендуется там, где важна точность. [6] Фон Нейман использовал термин «универсальный конструктор» для описания таких самовоспроизводящихся машин.
Историки станков , даже до эпохи числового управления , иногда образно говорили, что станки были уникальным классом машин, потому что они обладают способностью «воспроизводить себя» [11], копируя все свои детали. В этих обсуждениях подразумевается, что человек будет руководить процессами резки (позднее планированием и программированием машин), а затем собирать детали. То же самое верно и для RepRaps , которые являются другим классом машин, иногда упоминаемых в связи с такой неавтономной «саморепликацией». Такие обсуждения относятся к коллекциям станков, и такие коллекции обладают способностью воспроизводить свои собственные детали, которая является конечной и низкой для одной машины и достигает почти 100% с коллекциями всего около дюжины одинаково изготовленных, но уникально функционирующих машин, устанавливая то, что авторы Фриетас и Меркл называют материальным или материальным замыканием. Энергетическое замыкание является следующим по сложности измерением для закрытия, а управление — самым сложным, отмечая, что других измерений у проблемы нет. Напротив, машины, которые действительно автономно самовоспроизводятся (например, биологические машины ), являются основным предметом обсуждения здесь и будут иметь замкнутость в каждом из трех измерений.
Общая концепция искусственных машин, способных производить копии самих себя , насчитывает по меньшей мере несколько сотен лет. Ранним упоминанием является анекдот о философе Рене Декарте , который предположил , что человеческое тело можно рассматривать как машину; она ответила, указав на часы и приказав «проследить, чтобы оно воспроизводило потомство». [12] Существует также несколько других вариаций этого анекдотического ответа. Сэмюэл Батлер предположил в своем романе 1872 года «Эревон» , что машины уже способны воспроизводить себя, но именно человек заставил их это делать, [13] и добавил, что «машины, воспроизводящие машины, не воспроизводят машины себе подобных» . [14] В книге Джордж Элиот 1879 года «Впечатления о Теофрасте Сухе» , серии эссе, написанных ею от имени вымышленного ученого по имени Теофраст, эссе «Тени грядущей расы» размышляло о самовоспроизводящихся машинах, при этом Теофраст спрашивал: «Откуда я знаю, что они в конечном итоге не будут созданы для того, чтобы нести или не могут сами по себе развить условия самообеспечения, самовосстановления и воспроизводства». [15]
В 1802 году Уильям Пейли сформулировал первый известный телеологический аргумент, описывающий машины, производящие другие машины, [16] предполагая, что вопрос о том, кто изначально сделал часы, становится спорным, если будет продемонстрировано, что часы способны производить копию самих себя. [17] Научное исследование самовоспроизводящихся машин было предвосхищено Джоном Берналом еще в 1929 году [18] и математиками, такими как Стивен Клини, который начал разрабатывать теорию рекурсии в 1930-х годах. [19] Однако большая часть этой последней работы была мотивирована интересом к обработке информации и алгоритмам, а не физической реализацией такой системы. В течение 1950-х годов были сделаны предложения о нескольких все более простых механических системах, способных к самовоспроизводству, — в частности, Лайонелом Пенроузом . [20] [21]
Детальное концептуальное предложение для самовоспроизводящейся машины было впервые выдвинуто математиком Джоном фон Нейманом в лекциях, прочитанных в 1948 и 1949 годах, когда он предложил кинематическую модель самовоспроизводящихся автоматов в качестве мысленного эксперимента . [22] [23] Концепция фон Неймана о физической самовоспроизводящейся машине рассматривалась только абстрактно, с гипотетической машиной, использующей «море» или склад запасных частей в качестве источника сырья. У машины была программа, сохраненная на ленте памяти, которая предписывала ей извлекать детали из этого «моря» с помощью манипулятора, собирать их в копию себя, а затем переносить содержимое своей ленты памяти в новый дубликат. Машина представлялась состоящей всего из восьми различных типов компонентов: четырех логических элементов для отправки и получения стимулов и четырех механических элементов для обеспечения структурной поддержки и мобильности. Хотя качественно обоснованная, фон Нейман был, очевидно, недоволен этой моделью самовоспроизводящейся машины из-за сложности ее анализа с математической точностью. Вместо этого он продолжил разрабатывать еще более абстрактную модель самовоспроизводящегося устройства на основе клеточных автоматов . [24] Его первоначальная кинематическая концепция оставалась неясной, пока не была популяризирована в выпуске Scientific American в 1955 году . [25]
Целью фон Неймана для его теории самовоспроизводящихся автоматов , как указано в его лекциях в Университете Иллинойса в 1949 году, [22] было спроектировать машину, сложность которой могла бы расти автоматически, подобно биологическим организмам при естественном отборе . Он спросил, каков порог сложности , который необходимо преодолеть, чтобы машины смогли эволюционировать. [8] Его ответом было спроектировать абстрактную машину, которая при запуске будет воспроизводить себя. Примечательно, что его проект подразумевает, что открытая эволюция требует, чтобы наследуемая информация копировалась и передавалась потомству отдельно от самовоспроизводящейся машины, понимание, которое предшествовало открытию структуры молекулы ДНК Уотсоном и Криком и того, как она отдельно транслируется и реплицируется в клетке. [8] [9]
В 1956 году математик Эдвард Ф. Мур предложил первое известное предложение для практической реальной самовоспроизводящейся машины, также опубликованное в Scientific American . [26] [27] «Искусственные живые растения» Мура были предложены как машины, способные использовать воздух, воду и почву в качестве источников сырья и получать энергию из солнечного света через солнечную батарею или паровой двигатель . Он выбрал побережье в качестве первоначальной среды обитания для таких машин, что дало им легкий доступ к химическим веществам в морской воде, и предположил, что более поздние поколения машин могут быть спроектированы так, чтобы свободно плавать на поверхности океана в качестве самовоспроизводящихся заводских барж или размещаться в бесплодной пустынной местности, которая в противном случае была бы бесполезна для промышленных целей. Самовоспроизводящиеся машины будут «собираться» для их составных частей, которые будут использоваться человечеством в других невоспроизводящихся машинах.
Следующим крупным развитием концепции самовоспроизводящихся машин стала серия мысленных экспериментов, предложенных физиком Фрименом Дайсоном в его лекции Vanuxem 1970 года. [28] [29] Он предложил три крупномасштабных применения машинных репликаторов. Первое — отправить самовоспроизводящуюся систему на луну Сатурна Энцелад , которая в дополнение к производству своих копий также будет запрограммирована на производство и запуск грузовых космических кораблей с солнечным парусом . Эти космические корабли будут перевозить блоки энцеладского льда на Марс , где они будут использоваться для терраформирования планеты . Его вторым предложением была работающая на солнечной энергии заводская система, разработанная для земной пустынной среды, а его третьим был «комплект для промышленной разработки», основанный на этом репликаторе, который можно было бы продать развивающимся странам, чтобы предоставить им столько промышленных мощностей, сколько они пожелают. Когда Дайсон пересмотрел и переиздал свою лекцию в 1979 году, он добавил предложения по модифицированной версии морских искусственных живых растений Мура, которые были разработаны для дистилляции и хранения пресной воды для использования человеком [30] , а также « Астроцыпленка ».
В 1980 году, вдохновлённое «Семинаром новых направлений» 1979 года, проведённым в Вудс-Хоул, НАСА провело совместное летнее исследование с ASEE под названием «Продвинутая автоматизация для космических миссий», чтобы разработать подробное предложение по самовоспроизводящимся фабрикам для разработки лунных ресурсов без необходимости дополнительных запусков или присутствия людей на месте. Исследование проводилось в Университете Санта-Клары и проходило с 23 июня по 29 августа, а окончательный отчёт был опубликован в 1982 году. [31] Предлагаемая система могла бы экспоненциально увеличивать производительность, а конструкция могла бы быть модифицирована для создания самовоспроизводящихся зондов для исследования галактики.
Эталонный проект включал в себя небольшие управляемые компьютером электрические тележки, передвигающиеся по рельсам внутри фабрики, мобильные «мощеукладочные машины», которые использовали большие параболические зеркала для фокусировки солнечного света на лунном реголите , чтобы расплавить и спечь его в твердую поверхность, пригодную для строительства, и роботизированные фронтальные погрузчики для открытой добычи . Необработанный лунный реголит должен был быть очищен различными методами, в первую очередь выщелачиванием плавиковой кислотой . Большие транспортные средства с различными манипуляторами и инструментами были предложены в качестве конструкторов, которые собирали бы новые фабрики из деталей и узлов, произведенных на ее материнской компании.
Энергия будет поставляться «навесом» из солнечных батарей, поддерживаемых столбами. Остальное оборудование будет размещено под навесом.
« Литьевой робот » будет использовать инструменты для лепки и шаблоны для изготовления гипсовых форм . Гипс был выбран, потому что формы легко изготавливать, из них можно делать точные детали с хорошей отделкой поверхности, и гипс можно легко переработать впоследствии с помощью печи, чтобы высушить воду. Затем робот будет отливать большую часть деталей либо из непроводящей расплавленной породы ( базальт ), либо из очищенных металлов. Также была включена система резки и сварки лазером на углекислом газе .
Для производства компьютеров и электронных систем был выбран более перспективный и сложный производитель микрочипов, однако проектировщики также заявили, что может оказаться практичным отправлять чипы с Земли, как если бы они были «витаминами».
Исследование 2004 года, поддержанное Институтом передовых концепций НАСА, развило эту идею дальше. [32] Некоторые эксперты начинают рассматривать возможность использования самовоспроизводящихся машин для добычи полезных ископаемых на астероидах .
Большая часть проектного исследования была посвящена простой, гибкой химической системе для обработки руды и различиям между соотношением элементов, необходимых репликатору, и соотношениями, доступными в лунном реголите . Элементом, который больше всего ограничивал скорость роста, был хлор , необходимый для обработки реголита для получения алюминия . Хлор очень редко встречается в лунном реголите.
В 1995 году, вдохновленные предложением Дайсона 1970 года о засеивании необитаемых пустынь на Земле самовоспроизводящимися машинами для промышленного развития, Клаус Лакнер и Кристофер Вендт разработали более подробную схему такой системы. [33] [34] [35] Они предложили колонию взаимодействующих мобильных роботов размером 10–30 см, работающих на сетке электрифицированных керамических дорожек вокруг стационарного производственного оборудования и полей солнечных батарей. Их предложение не включало в себя полный анализ материальных требований системы, но описывало новый метод извлечения десяти наиболее распространенных химических элементов, обнаруженных в сыром верхнем слое почвы пустыни (Na, Fe, Mg, Si, Ca, Ti, Al, C, O 2 и H 2 ), с использованием высокотемпературного карботермического процесса. Это предложение было популяризировано в журнале Discover , где было представлено работающее на солнечной энергии опреснительное оборудование, используемое для орошения пустыни, в которой базировалась система. [36] Они назвали свои машины «Ауксонами», от греческого слова auxein , что означает «расти».
В духе исследования 1980 года «Усовершенствованная автоматизация для космических миссий» Институт перспективных концепций НАСА начал несколько исследований по проектированию самовоспроизводящихся систем в 2002 и 2003 годах. Было выдано четыре гранта фазы I:
В 2012 году исследователи НАСА Метцгер , Мускателло, Мюллер и Мантовани выступили за так называемый «подход самонастройки» для запуска самовоспроизводящихся фабрик в космосе. [43] Они разработали эту концепцию на основе технологий In Situ Resource Utilization (ISRU) , которые НАСА разрабатывает для «жизни за счет земли» на Луне или Марсе. Их моделирование показало, что всего за 20–40 лет эта отрасль может стать самодостаточной, а затем вырасти до больших размеров, что позволит проводить более масштабные исследования в космосе, а также обеспечивать выгоды на Земле. В 2014 году Томас Калил из Управления по политике в области науки и технологий Белого дома опубликовал в блоге Белого дома интервью с Метцгером о самонастройке цивилизации солнечной системы с помощью самовоспроизводящейся космической промышленности. [44] Калил попросил общественность представить идеи о том, как «администрация, частный сектор, филантропы, исследовательское сообщество и рассказчики могут способствовать достижению этих целей». Калил связал эту концепцию с тем, что бывший главный технолог НАСА Мейсон Пек назвал «исследованием без массы», способностью производить все в космосе, так что вам не нужно будет запускать это с Земли. Пек сказал: «...вся масса, которая нам нужна для исследования Солнечной системы, уже находится в космосе. Она просто не той формы». [45] В 2016 году Метцгер утверждал, что полностью самовоспроизводящаяся промышленность может быть запущена в течение нескольких десятилетий астронавтами на лунной станции с общей стоимостью (станция плюс запуск промышленности) около трети космических бюджетов стран-партнеров Международной космической станции , и что эта промышленность решит энергетические и экологические проблемы Земли в дополнение к обеспечению исследования без массы. [46]
В 2011 году группа ученых из Нью-Йоркского университета создала структуру под названием «BTX» (изогнутая тройная спираль), основанную на трех молекулах двойной спирали, каждая из которых сделана из короткой нити ДНК. Рассматривая каждую группу из трех двойных спиралей как кодовую букву, они могут (в принципе) создавать самовоспроизводящиеся структуры, которые кодируют большие объемы информации. [47] [48]
В 2001 году Ярле Брейвик из Университета Осло создал систему магнитных строительных блоков, которые в ответ на колебания температуры спонтанно образуют самовоспроизводящиеся полимеры. [49]
В 1968 году Зеллиг Харрис написал, что «метаязык находится в языке», [50] предполагая, что самовоспроизведение является частью языка. В 1977 году Никлаус Вирт формализовал это предложение, опубликовав самовоспроизводящуюся детерминированную контекстно-свободную грамматику . [51] Добавив к ней вероятности, Бертран дю Кастель опубликовал в 2015 году самовоспроизводящуюся стохастическую грамматику и представил отображение этой грамматики на нейронные сети , тем самым представив модель для самовоспроизводящейся нейронной цепи. [52]
29 ноября 2021 года группа ученых из Гарвардского института Висса построила первых живых роботов, способных размножаться. [53]
Идея автоматизированного космического корабля, способного создавать копии самого себя, была впервые предложена в научной литературе в 1974 году Майклом А. Арбибом [54] [55], но эта концепция появилась и раньше в научной фантастике , например, в романе 1967 года «Берсерк» Фреда Саберхагена или в трилогии-повести 1950 года «Путешествие космического гончего» А. Э. ван Фогта . Первый количественный инженерный анализ самовоспроизводящегося космического корабля был опубликован в 1980 году Робертом Фрейтасом [56], в котором невоспроизводящаяся конструкция проекта «Дедал» была изменена, чтобы включить все подсистемы, необходимые для самовоспроизводства. Стратегия проекта заключалась в том, чтобы использовать зонд для доставки «семенной» фабрики массой около 443 тонн на отдаленное место, чтобы семенная фабрика реплицировала там множество своих копий, чтобы увеличить общую производственную мощность, а затем использовать полученный автоматизированный промышленный комплекс для строительства большего количества зондов с одной семенной фабрикой на борту каждый.
Поскольку использование промышленной автоматизации со временем расширилось, некоторые фабрики начали приближаться к подобию самодостаточности, что наводит на мысль о самовоспроизводящихся машинах. [57] Однако такие фабрики вряд ли достигнут «полного закрытия» [58], пока стоимость и гибкость автоматизированного оборудования не приблизится к стоимости и гибкости человеческого труда, а производство запасных частей и других компонентов на месте не станет более экономичным, чем их транспортировка из других мест. Как указал Сэмюэл Батлер в Erewhon , репликация частично закрытых универсальных станкостроительных заводов уже возможна. Поскольку безопасность является основной целью всех законодательных рассмотрений регулирования такого развития, будущие усилия по развитию могут быть ограничены системами, в которых отсутствует либо контроль, либо материальная, либо энергетическая замкнутость. Полностью работоспособные машинные репликаторы наиболее полезны для разработки ресурсов в опасных средах, которые нелегко достичь существующими транспортными системами (например, в открытом космосе ).
Искусственный репликатор можно считать формой искусственной жизни . В зависимости от его конструкции он может подвергаться эволюции в течение длительного периода времени. [59] Однако, при надежной коррекции ошибок и возможности внешнего вмешательства, распространенный научно-фантастический сценарий роботизированной жизни, вышедшей из-под контроля, останется крайне маловероятным в обозримом будущем. [60]
Авторы, которые использовали самовоспроизводящуюся машину в художественных произведениях, включают: Филлип К. Дик , [2] Артур С. Кларк , [2] Карел Чапек : ( RUR : Rossum's Universal Robots (1920)), [2] [1] Джон Слэйдек ( The Reproductive System ), [2] Сэмюэл Батлер ( Erewhon ), [2] Деннис Э. Тейлор [61] и Э. М. Форстер ( The Machine Stops (1909)). [1]
Источником энергии может быть солнечная энергия или, возможно, радиоизотопная, учитывая, что новые жидкие соединения могут генерировать значительную энергию за счет радиоактивного распада.