人工生命の歴史 - 百科事典

人間は少なくとも3000年間にわたって生物でない生命体を作ることを考える試みをしてきました。ピグマリオンからフランケンシュタインまでの話に見られるように、人類は長年人工生命の概念に魅了されてきました。

コンピュータ以前
最も初期の人工生命の例は、ピューロマティクス、機械工学、および/または水力を使って構築された複雑な自動機械です。最初の自動機械は紀元前3世紀から2世紀に設計され、アレクサンドリアのヘロンの定理によって示されました。これには複雑な機械的および水力の解決策が含まれており、彼の多くの著名な作品は「ピューロマティクス」に収められ、それまでの機械の構築にも使われていました。1490年にレオナルド・ダ・ヴィンチも、西欧文明における最初の人間型ロボットとされる装甲騎士を構築しました。

他の初期の有名な例には、アルジャザリの人間型ロボットがあります。このアラブの発明者は、異なる楽曲を演奏させるように命令できる自動機械のシリーズを一度に構築しました。1735年にジャック・ド・ボーシャンの人工鴨が展示され、その構造には数千の動きのある部分があり、生物的なシステムを模倣した最初のものの一つでした。この鴨は食事、消化、飲み、クック、プールで水をこぼすことができました。ヨーロッパ中で展示され、最終的には壊れてしまいました。

17世紀後半、レネ・デカルトが動物を純粋な物理的な機械として理解できると主張した後、機械が動物のように子孫を生成できる設計ができるかどうかという疑問に対する興味が高まりました（自己複製可能な機械）。イギリス産業革命のピークが1800年代初頭に達し、チャールズ・ダーウィンの「種の起源」が1859年に出版された後、1880年代後半には、自己複製可能で、進化し、ますます賢くなる機械を作ることができるかもしれませんという考えが、多くの作家によって探求されました。

しかし、安価なコンピューティングパワーの発明までは、人工生命が本格的に科学として始まらなかったのです。これは理論的および計算的重視よりも機械的および神話的重視よりも強かったです。

1950年代–1970年代
現代における人工生命の可能性を考える最初の思考者の一つは、数学およびコンピュータの天才であるジョン・フォン・ノイマンでした。1940年代末、カリフォルニア州パサデナでリナス・ポーリングが主催したヒクソンシンポジウムで、フォン・ノイマンは「自動機械の一般的および論理的理論」のタイトルで講演をしました。彼は「自動機械」として、環境からの情報と自身のプログラミングを組み合わせて一つずつ論理的に行動するあらゆる機械を定義し、自然の生物が最終的には同じような単純なルールに従うと述べました。彼はまた、自己複製可能な機械のアイデアについても話しました。彼は制御コンピュータ、建設アーム、そして部品の湖に浮かんでいる長いシリーズの指示を構想しました。自身の体に含まれる指示に従って、同一の機械を作成することができます。彼は（スタニスワフ・ウラムと一緒に）物理的な体を必要としない、無限のグリッドの細胞の状態の変化に基づく純粋な論理的な自動機械を作成しました。これは後のCAよりも驚異的に複雑で、数十万の細胞があり、それぞれが29の状態のうちの1つに存在することができますが、フォン・ノイマンは、それが単なる自己複製可能な「機械」ではなく、アラン・チューリングが定義したユニバーサルコンピュータとして機能するために必要な複雑さと感じました。この「ユニバーサルコンストラクタ」は指示のテープを読み取り、そのテープから細胞のシリーズを出力し、それをアクティブにして元の機械の完全なコピーとそのテープを出力することができます。フォン・ノイマンは死まで非常に熱心に自動機械の理論に取り組んでおり、それを彼の最も重要な作品と考えていました。

ホーマー・ジャクソンは1950年代にモデル列車セットを使って基本的な自己複製を示しました。種「生物」は「頭」と「尾」のボックスカーやから成り、システムの単純なルールを使って常に自身と同じ「生物」を作成することができます。ただし、新しいボックスカーやがランダムに選ばれるプールがある限りです。エドワード・F・モアは「人工的な生命体植物」を提案し、それらは自己を複製する浮遊工場であり、比較的小さな投資で大きな報酬を得ることができると考えられました。フレデリック・ダイソンもそのアイデアを研究し、自己複製可能な機械を他の惑星や月に送り込み、資源を探索し、利用するというビジョンを描きました。NASAの「自己複製システム概念チーム」も1980年に自己構築型月面工場の実現可能性についての研究を行いました。

ケンブリッジ大学のジョン・ホルトン・コンウェイ教授は1960年代に最も有名な細胞自動機を作成しました。彼はそれを「生命のゲーム」と呼び、サイエンスアメリカ誌のマーティン・ガードナーのコラムを通じて広めました。

主に米国の機関で働いていたノルウェイ・イタリアの数学者ニルス・アール・アール・バリケリは、共生生成や進化などの生物学的プロセスのコンピュータ基盤のシミュレーションの先駆者でした。

1970年代–1980年代
哲学学者アーサー・バークスは、フォン・ノイマンと一緒に働いており（実際には、ノイマンの死後の論文を整理した）、ミシガン大学のコンピュータの論理学グループのリーダーでした。彼は19世紀のアメリカの思考者チャールズ・サンダース・ピアースの見落とされた視点を現代に持ち込みました。ピアースは、自然のすべての作用が論理に基づいていると強く信じていました（ただし、必ずしも帰納的論理ではありません）。ミシガングループは1970年代初頭にまだalifeとCAに興味を持っていた少数のグループの一つであり、その学生のトマッソ・トッフォリは博士論文で、その分野が重要であるのは、その結果が自然の複雑な効果の背後にある単純なルールを説明するからだと主張しました。トッフォリは後にCAが可逆であるという重要な証明を行い、真の宇宙が考慮されるように、真の宇宙と同様に。

クリストファー・ラングトンは、非伝統的な研究者であり、評価の低い学術キャリアが彼を病院でDECメインフレームをプログラミングする仕事に導きました。彼はコンウェイの生命のゲームに魅了され、コンピュータが生き物を模倣できるという考えに取り組み始めました。数年間の研究（そしてほぼ致命的なハンググライダー事故）の後、彼は1979年10月にApple IIデスクトップコンピュータを使って初めて自己複製可能なコンピュータ生物を作成することに取り組みました。彼は1982年に33歳でバークスのコンピュータの論理学グループの大学院プログラムに入り、新しい分野を創設しました。

ラングトンの公式会議発表「人工生命I」は、以前ほとんど存在しなかった分野の最初の記述でした：

人工生命は、自然の生き物の行動を示す人工的なシステムの研究です。それは、地球で進化した特定の例に限らず、生命のどんな可能な現れを説明することを目指しています。これには生物学的および化学的な実験、コンピュータシミュレーション、純粋な理論的な試みが含まれます。分子、社会的、進化的スケールにおけるプロセスが調査されます。最終的な目標は、生き物のシステムの論理的形式を抽出することです。

微電子技術と遺伝子工学が、シリコンおよび実験室で新しい生命体を作成する能力を提供することになるでしょう。この能力は、人類がかつて直面した最も広範な技術的、理論的、倫理的な挑戦を提供することになります。生活システムの一部を模倣または合成しようとする試みに関与する人々の集まりが適切な時期です。

エド・フレッドキンはMITの情報力学グループを設立し、トッフォリ、ノーマン・マーゴラス、チャールズ・ベネットを統合しました。このグループは、細胞自動機を実行するために特別に設計されたコンピュータを作成し、最終的には単一の回路ボードの大きさに縮小しました。この「細胞自動機マシン」は、他に複雑なコンピュータを手に入れることができなかった科学者たちの間でalife研究の爆発的な増加を引き起こしました。

1982年にコンピュータサイエンス者スティーブン・ウォルフラムは、細胞自動機に注目しました。彼は一次元CAが示す複雑さの種類を探索し、それが貝の模様や植物の成長の性質などの自然現象にどのように適用されるかを示しました。

ノーマン・パーカードは、ウォルフラムとプリンストン高等研究所で一緒に働いており、雪の結晶の成長をシミュレートするためにCAを使用しました。

コンピュータアニメータークレイグ・レイノルズも同様に、1987年に3つの単純なルールを使って、コンピュータプログラムで flocking 行動を作成し、boidsの群れをアニメートしました。全くのトップダウンなプログラミングは一切なく、boidsは彼らの前に設置された障害物を避けるための生きているような解決策を生み出しました。映画の製作者がより現実的で安価な方法で植物の生命、動物の動き、毛の成長、複雑な有機的なテクスチャーなどの自然形をアニメートしようとする試みの中で、コンピュータアニメーションはalife研究の重要な商業的駆動力となり続けています。

J.ドイーン・ファーマーは、複雑な適応システムの分野と人工生命研究を結びつける重要な人物であり、ラモス国立研究所の非線形研究センターで働いていました。彼は1985年5月に「進化、ゲーム、学習」という会議を主催し、後にalife会議の多くのトピックを予兆しました。

2000年代
生態学的な面では、1960年代にW. D. ハミルトンが始めた動物の協力行動の進化に関する研究（近縁選択、互恵、多レベル選択、文化的集団選択の理論に至る）が、2006年にピーター・チューチンとミハイル・ブルツェフによって人工生命を通じて再導入されました。以前はゲーム理論が同様の調査に利用されていましたが、そのアプローチは可能な戦略の数が限られており、議論の余地のある報酬ルールのセットとされました。ここで設計されたalifeモデルは、コニウェイの生命のゲームに基づいていますが、非常に多くの複雑さが追加されています（潜在的に発生する可能性のある戦略は101000を超えます）。最も重要なのは、相互作用するエージェントが外部の表現型マーカーを持っており、集団メンバー間での認識が可能です。実際には、これらのマーカーを感知する能力があると、システム内のエージェントは最小限の仮定の下で新しい集団行動を進化させることができると示されました。すでに知られているボーイズ・ホーク・ドー・ゲームの戦略に加えて、ここでは二つの新しい協力攻撃および防衛のモードがシミュレーションから生まれました。

この設定では、この二つの次元の人工的な世界は細胞に分割され、それぞれが空きまたはリソースバンドルを含んでいます。空き細胞は、一定の確率でリソースバンドルを取得することができ、エージェントがリソースを消費すると失われます。各エージェントは、受容体、効果器（エージェントの行動を支配するコンポーネント）、そしてこれらを結びつける神経ネットワークで構成されています。環境に対する反応として、エージェントは休息、食事、分裂による繁殖、動き、回転、攻撃を行うことができます。すべての行動は内部エネルギーストレスからエネルギーを消費します；これが枯渇すると、エージェントは死にます。リソースの消費、および敵対者を倒した後の他のエージェントの消費は、エネルギーストレスの増加をもたらします。繁殖は無性生殖としてモデル化され、子孫は親のエネルギーの半分を受け取ります。エージェントはまた、自身の活力レベルに加えて、リソースや他のメンバーを検出する感覚入力を備えています。表現型マーカーに関しては、行動に影響を与えずに単に「遺伝的」類似性の指標として機能します。遺伝は、関連情報が子孫に受け継がれ、一定の割合で変異を起こすことで達成されます。

この研究の目的は、表現型マーカーの存在がモデルの進化する協力戦略の範囲にどのように影響するかを研究することです。さらに、この2次元環境におけるリソースは制限されているため、シミュレーションは環境の環境容量がその発生にどのような影響を与えるかを決定することも目的です。

一つ以前に見られなかった戦略は「烏」と呼ばれ、これらのエージェントは集団メンバーのいる細胞から離れ、種内競争を避け、集団メンバーを攻撃します。もう一つの戦略は「スズメ」と呼ばれ、エージェントが集団メンバーと同じ細胞を共有します。資源の分断により個々のエネルギーストレスが小さくなるにもかかわらず、この戦略は多数の利点を活かして大規模な侵略者に対して非常に効果的な防衛を行うことができます。生態学的には、これは小さな鳥の種が集団で捕食者に対して防衛する際に特徴的な群れをなす行動に似ています。

結論として、研究はシミュレーションの結果が、alife枠組み内で「どの戦略が他の戦略を排除するかだけでなく、多くの可能性から新しい戦略がどのように生まれるかのプロセスをモデル化できる」として、領域の進化に対して重要な意味を持つと主張しています。

人工生命の細胞モデルを作成するための研究も進んでいます。プロテイン折りたたみのメカニズムを理解しようとするブルー・ジーンなどの多くの異なる研究プロジェクトの一部として、細胞の行動の完全な生化学モデルの構築の初期段階が進んでいます。

参考リソース
Automaton
Clanking replicator
Cellular automaton
Quantum artificial life


参考文献



外部リンク
Aguilar, W., Santamaría-Bonfil, G., Froese, T., and Gershenson, C. (2014). The past, present, and future of artificial life. Frontiers in Robotics and AI, 1(8). https://dx.doi.org/10.3389/frobt.2014.00008