Войти
Простая форма самовоспроизводства машины A самовоспроизводящейся машины является тип автономного робота, который способен автономно воспроизводить себя, используя сырье, найденное в окружающей среде, таким образом демонстрируя самовоспроизведение способом, аналогичным найденному в nature. Концепция самовоспроизводящихся машин была развита и исследована Гомером Якобсоном, Эдвардом Ф. Муром, Фрименом Дайсоном, Джоном фон Нейманом и в более позднее время К. Эрик Дрекслер в своей книге нанотехнологии, Engine of Creation (придумал термин звенящий репликатор для таких машин) и Роберт Фрейтас и Ральф Меркл в своем обзоре «Кинематические самовоспроизводящиеся машины», который представил первый всесторонний анализ всего пространства проектирования репликаторов. Дальнейшее развитие такой технологии является неотъемлемой частью нескольких планов, включающих разработку лун и поясов астероидов для получения руды и других материалов, создание лунных фабрик и даже строительство спутники на солнечной энергии в космосе. Зонд фон Неймана является теоретическим примером такой машины. Фон Нейман также работал над тем, что он назвал универсальным конструктором, самовоспроизводящейся машиной, которая могла бы развиваться и которую он формализовал в среде клеточных автоматов. Примечательно, что схема самовоспроизводящихся автоматов фон Неймана постулировала, что открытая эволюция требует, чтобы унаследованная информация копировалась и передавалась потомкам отдельно от самовоспроизводящейся машины, - понимание, которое предшествовало открытию структуры Молекула ДНК Уотсона и Крика и то, как она отдельно транслируется и реплицируется в клетке.
Самовоспроизводящаяся машина - это искусственная самовоспроизводящаяся система, основанная на традиционных крупномасштабных технологиях и автоматизации. Хотя это было предложено более 70 лет назад, до сегодняшнего дня не было обнаружено самовоспроизводящихся машин. Некоторые идиосинкразические термины иногда встречаются в литературе. Например, термин «лязгающий репликатор» когда-то использовался Дрекслером, чтобы отличить макромасштабные реплицирующие системы от микроскопических нанороботов или «ассемблеров », которые могут сделать возможными нанотехнология, но этот термин неформальный и редко используется другими в популярных или технических дискуссиях. Репликаторы также называют «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 несвязанной компьютерной архитектуре, которую предложил фон Нейман, и поэтому ее использование не рекомендуется там, где важна точность. Сам фон Нейман использовал термин универсальный конструктор для описания таких самовоспроизводящихся машин.
Историки станков, даже до эры числового управления, иногда образно говорили, что станки были уникальным классом машин, потому что они обладают способностью «воспроизводить сами "копируя все свои части. В этих обсуждениях подразумевается, что человек будет руководить процессами резки (позже планировать и программировать машины), а затем собирать детали. То же самое верно и для RepRaps, которые представляют собой другой класс машин, иногда упоминаемый в связи с такой неавтономной «саморепликацией». Напротив, машины, которые действительно автономно самовоспроизводятся (например, биологические машины ), являются основным предметом обсуждения здесь.
Общая концепция искусственных машин, способных создавать копии самих себя, возникла по крайней мере несколько сотен лет. Раннее упоминание - это анекдот о философе Рене Декарте, который предположил королеве Кристине Швеции, что человеческое тело можно рассматривать как машину; она ответила, указав на часы и приказав «проследить, чтобы они воспроизводили потомство». Также существует несколько других вариантов этого анекдотического ответа. Сэмюэл Батлер в своем романе 1872 года Эревон предположил, что машины уже были способны воспроизводить себя, но это сделал человек, и добавил, что «машины, которые воспроизводят машины, не воспроизводят машины. после себе подобных ". В книге Джорджа Элиота 1879 года Впечатления о Теофрасте Такая, серии эссе, которые она написала в образе вымышленного ученого по имени Теофраст, в эссе «Тени грядущей расы» размышляли о самовоспроизводящиеся машины, и Теофраст спрашивает: «Откуда мне знать, что они, возможно, не будут в конечном итоге нести, или не могут сами по себе развиваться, условия самоподдержания, самовосстановления и воспроизводства».
В 1802 году Уильям Пейли сформулировал первый известный телеологический аргумент, описывающий машины, производящие другие машины, предполагая, что вопрос о том, кто изначально сделал часы, был поставлен под сомнение, если это так. продемонстрировали, что часы могут производить копию самих себя. Научное исследование самовоспроизводящихся машин было предвосхищено Джоном Берналом еще в 1929 году и такими математиками, как Стивен Клин, которые начали развивать теорию рекурсии в 1930-х годах. Однако большая часть этой последней работы была продиктована интересом к обработке информации и алгоритмам, а не физической реализацией такой системы. В течение 1950-х годов были предложены несколько все более простых механических систем, способных к самовоспроизведению, в частности, Лайонел Пенроуз.
Подробное концептуальное предложение для самовоспроизводящаяся машина была впервые предложена математиком Джоном фон Нейманом в лекциях, прочитанных в 1948 и 1949 годах, когда он предложил кинематическую модель самовоспроизводящейся автоматы как мысленный эксперимент. Концепция фон Неймана о физической самовоспроизводящейся машине рассматривалась только абстрактно, когда гипотетическая машина использовала «море» или склад запасных частей в качестве источника сырья. У машины была программа, хранящаяся на ленте памяти, которая предписывала ей извлекать части из этого «моря» с помощью манипулятора, собирать их в свою копию, а затем копировать содержимое своей ленты памяти в пустой дубликат. Предполагалось, что машина состоит всего из восьми различных типов компонентов; четыре логических элемента, которые отправляют и принимают стимулы, и четыре механических элемента, используемых для обеспечения структурного скелета и мобильности. Хотя фон Нейман был качественно обоснованным, он явно был недоволен этой моделью самовоспроизводящейся машины из-за сложности ее анализа с математической строгостью. Вместо этого он разработал еще более абстрактную модель саморепликатора, основанную на клеточных автоматах. Его первоначальная кинематическая концепция оставалась неясной до тех пор, пока она не была популяризирована в выпуске журнала Scientific American.
за 1955 год. Цель фон Неймманна - его теория самовоспроизводящихся автоматов, как указано в его лекциях в Университете Иллинойса. в 1949 году он должен был разработать машину, сложность которой могла автоматически расти подобно биологическим организмам при естественном отборе. Он спросил, каков порог сложности, который необходимо преодолеть, чтобы машины могли развиваться. Его ответ заключался в разработке абстрактной машины, которая при запуске копировала бы себя. Примечательно, что его замысел подразумевает, что открытая эволюция требует, чтобы унаследованная информация копировалась и передавалась потомкам отдельно от самовоспроизводящейся машины, что предшествовало открытию структуры молекулы ДНК Уотсоном и Крик и то, как он отдельно транслируется и реплицируется в ячейке.
В 1956 году математик Эдвард Ф. Мур предложил первое известное предложение для практической самовоспроизводящейся машины в реальном мире, также опубликованное в Scientific American. «Искусственные живые растения» Мура были предложены как машины, способные использовать воздух, воду и почву в качестве источников сырья и получать энергию от солнечного света через солнечную батарею или паровой двигатель. Он выбрал морское побережье в качестве первоначальной среды обитания для таких машин, давая им легкий доступ к химическим веществам в морской воде, и предположил, что более поздние поколения машин могут быть спроектированы так, чтобы они могли свободно плавать по поверхности океана в качестве самовоспроизводящихся заводских барж или быть размещены в бесплодной пустынной местности, в остальном бесполезной для промышленных целей. Саморепликаторы будут «заготовлены» для их составных частей, чтобы человечество могло использовать их в других нереплицирующихся машинах.
Следующим важным развитием концепции самовоспроизводящихся машин стала серия мысленных экспериментов, предложенных физиком Фрименом Дайсоном в его лекции Вануксема 1970 года. Он предложил три крупномасштабных применения машинных репликаторов. Во-первых, это была отправка самовоспроизводящейся системы на спутник Сатурна Энцелад, который, помимо создания собственных копий, также будет запрограммирован на производство и запуск солнечного паруса грузовой космический корабль. Эти космические корабли будут доставлять глыбы льда Энцеладе на Марс, где они будут использоваться для терраформирования планеты. Его вторым предложением была фабричная система на солнечной энергии, разработанная для наземной среды пустыни, а третьим - «промышленный комплект для разработки», основанный на этом репликаторе, который можно было продать развивающимся странам, чтобы предоставить им столько промышленных мощностей, сколько они пожелают. Когда Дайсон переработал и перепечатал 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, а также «Astrochicken ».
Художественная концепция «саморазвивающейся» роботизированной лунной фабрики В 1980 году, вдохновленная семинаром 1979 года «Новые направления», проведенным в Вудс-Хоул, НАСА провело совместное летнее исследование с ASEE под названием Advanced Automation for Space Missions, чтобы подготовить подробное предложение по самовоспроизводящимся фабрикам для разработки лунных ресурсов без требующие дополнительных запусков или людей на месте. Исследование проводилось в университете Санта-Клары и длилось с 23 июня по 29 августа, а окончательный отчет был опубликован в 1982 году. Предлагаемая система могла бы экспоненциально увеличивать производственную мощность и конструкция может быть изменена для создания самовоспроизводящихся зондов для исследования галактики.
Эталонный проект включал в себя небольшие управляемые компьютером электрические тележки, движущиеся по рельсам внутри завода, мобильные «асфальтоукладчики», в которых использовались большие параболические зеркала для фокусирования солнечного света на лунном реголите для его плавления и спекания на твердую поверхность, пригодную для строительства, и роботизированные фронтальные погрузчики для добычи полезных ископаемых. Неочищенный лунный реголит будет очищен различными методами, в первую очередь плавиковой кислотой выщелачиванием. Большие транспортные средства с различными манипуляторами и инструментами были предложены в качестве конструкторов, которые будут собирать новые фабрики из деталей и узлов, произведенных его родительской компанией.
Электроэнергия будет обеспечиваться "навесом" из солнечных элементов, поддерживаемых на столбах. Остальная техника будет размещена под навесом.
«литейщик робот » будет использовать инструменты и шаблоны для лепки гипсовых форм. Штукатурка была выбрана потому, что формы просты в изготовлении, из них можно изготавливать точные детали с хорошей обработкой поверхности, а затем гипс можно легко переработать, используя печь, чтобы снова запечь воду. Затем робот отливал большую часть деталей либо из непроводящей расплавленной породы (базальт ), либо из очищенных металлов. Также были включены система лазерной резки и сварки на диоксиде углерода .
Для производства компьютеров и электронных систем был задан более спекулятивный, более сложный производитель микрочипов, но разработчики также заявили, что может оказаться целесообразным отправить чипы с Земли, как если бы они были «витаминами».
Исследование 2004 года, проведенное при поддержке Института перспективных концепций НАСА, развило эту идею. Некоторые эксперты начинают рассматривать самовоспроизводящиеся машины для добычи астероидов.
Большая часть проектных исследований была связана с простой, гибкой химической системой для обработки руд и различиями между соотношением элементов, необходимых для репликатора. и соотношения, доступные в лунном реголите. Элементом, который больше всего ограничивал скорость роста, был хлор, необходимый для обработки реголита для получения алюминия. Хлор в лунном реголите встречается очень редко.
В 1995 году, вдохновленные предложением Дайсона в 1970 году засеять необитаемые пустыни на Земле самовоспроизводящимися машинами для промышленного развития, Клаус Лакнер и Кристофер Вендт разработал более подробную схему такой системы. Они предложили колонию взаимодействующих мобильных роботов размером 10–30 см, бегущих по сети электрифицированных керамических дорожек вокруг стационарного производственного оборудования и полей солнечных элементов. Их предложение не включало полный анализ требований системы к материалам, но описывало новый метод извлечения десяти наиболее распространенных химических элементов, обнаруженных в необработанном 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 Magazine, где описывалось опреснительное оборудование на солнечных батареях, используемое для орошения пустыни, в которой базировалась система. Они назвали свои машины «Auxons», от греческого слова auxein, что означает «расти».
В духе исследования 1980 г. «Передовая автоматизация космических полетов» Института перспективных исследований НАСА Concepts начали несколько исследований проектирования самовоспроизводящихся систем в 2002 и 2003 годах. Были присуждены четыре гранта фазы I:
В 2012 году исследователи НАСА Мецгер, Мускателло, Мюллер и Мантовани утверждали, что так называемый "подход начальной загрузки" для запуска самовоспроизводящихся фабрик в космосе. Они разработали эту концепцию на основе технологий использования ресурсов на месте (ISRU), которые НАСА разрабатывает, чтобы «жить 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 расширить исследования в космосе, а также принесет пользу Земле. В 2014 году Томас Калил из Белого дома Управление по политике в области науки и технологий опубликовал в блоге Белого дома интервью с Мецгером о создании цивилизации солнечной системы с помощью самовоспроизводящейся космической индустрии. 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 «безмассовыми исследованиями», способностью создавать все в космосе, так что вам не нужно запускать это с Земли. Пек сказал: «... вся масса, которая нам нужна для исследования Солнечной системы, уже находится в космосе. Просто она неправильной формы». В 2016 году Мецгер утверждал, что полностью самовоспроизводящаяся отрасль может быть создана в течение нескольких десятилетий астронавтами на лунной заставе при общей стоимости (аванпост плюс запуск отрасли) примерно в треть космических бюджетов Международной космической станции. страны-партнеры, и что эта отрасль решит энергетические и экологические проблемы Земли в дополнение к обеспечению безмассового исследования.
В 2011 году группа ученых в Нью-Йоркском университете была создана структура под названием «BTX» (изогнутая тройная спираль), основанная на трех молекулах двойной спирали, каждая из которых состоит из короткой нити ДНК. Рассматривая каждую группу из трех двойных спиралей как кодовую букву, они могут (в принципе) создавать самовоспроизводящиеся структуры, кодирующие большие объемы информации.
В 2001 году Ярл Брейвик из Университета Осло создал систему магнитных строительных блоков, которые в ответ на колебания температуры спонтанно образуют самовоспроизводящиеся полимеры.
В 1968 году Зеллиг Харрис писал, что «метаязык находится в языке», предполагая, что самовоспроизведение является частью языка. В 1977 г. Никлаус Вирт формализовал это предположение, опубликовав самовоспроизводящуюся детерминированную контекстно-свободную грамматику. Добавив к этому вероятности, Бертран дю Кастель опубликовал в 2015 году самовоспроизводящуюся стохастическую грамматику и представил отображение этой грамматики в нейронные сети, тем самым представив модель самовоспроизводящейся нейронной цепи.
Идея автоматического космического корабля, способного создавать копии самого себя, была впервые предложена в научной литературе в 1974 году. автор Майкл А. Арбиб, но эта концепция появилась раньше в научной фантастике, например в романе 1967 года Берсерк Фреда Саберхагена или 1950 трилогия романа Путешествие космического бигля А. Э. ван Фогт. Первый количественный технический анализ самовоспроизводящегося космического корабля был опубликован в 1980 году Робертом Фрейтасом, в котором нереплицирующаяся конструкция Project Daedalus была изменена, чтобы включить все подсистемы, необходимые для самовоспроизведения. репликация. Стратегия проекта заключалась в том, чтобы использовать зонд для доставки "семенного" завода массой около 443 тонн на удаленный объект, чтобы семеноводческий завод воспроизвел там множество своих копий, чтобы увеличить свои общие производственные мощности, а затем использовать полученные автоматизированные промышленный комплекс для строительства большего количества зондов с одной семенной фабрикой на борту каждого.
Поскольку использование промышленной автоматизации расширилось за Со временем некоторые фабрики начали приближаться к подобию самодостаточности, что наводит на мысль о самовоспроизводящихся машинах. Однако такие заводы вряд ли смогут «полностью закрыть» до тех пор, пока стоимость и гибкость автоматизированного оборудования не приблизятся к человеческому труду, а производство запасных частей и других компонентов на месте не станет более экономичным, чем их транспортировка из других мест. Как Сэмюэл Батлер указал в Эревон, тиражирование частично закрытых заводов универсальных станков уже возможно. Поскольку безопасность является основной целью всех законодательных рассмотрений регулирования такого развития, будущие усилия по развитию могут быть ограничены системами, в которых отсутствует контроль, материальная или энергетическая изоляция. Полнофункциональные машинные репликаторы наиболее полезны для разработки ресурсов в опасных средах, которые нелегко достичь существующими транспортными системами (такими как космическое пространство ).
Искусственный репликатор можно рассматривать как форму искусственной жизни. В зависимости от конструкции он может подвергаться эволюции в течение длительного периода времени. Однако с надежным исправлением ошибок и возможностью внешнего вмешательства обычный научно-фантастический сценарий взбесившейся жизни роботов останется крайне маловероятным в обозримом будущем.
Источником питания может быть солнечный или, возможно, радиоизотоп, учитывая, что новые соединения на жидкой основе могут генерировать значительные мощность от радиоактивного распада.
