Лекция
Привет, сегодня поговорим про самовоспроизводящиеся машины, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое самовоспроизводящиеся машины, машина фон неймана, зонд фон неймана , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Робототехника.
самовоспроизводящиеся машины (СМ) — тип автономных роботов, которые способны к самовоспроизводству самих себя с использованием материалов из окружающей среды. Таким образом СМ в некотором роде аналогичны организмам живой природы. Сама концепция СМ была предложена и проверена Гомером Якобсеном, Эдвардом Форестом Муром, Фрименом Дайтсоном, Джоном фон Нейманом и позже Эриком Дрекслером в его книге о нанотехнологиях «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологий» и Робертом Фрэйтосом и Ральфом Мерклом в их книге «Кинематика самовоспроизводящихся машин» , которые предоставили первый всесторонний анализ целого множества конструкций Самовоспроизводящаяся машин.
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 нанотехнологииможет сделать возможным, но этот термин носит неформальный характер и редко используется другими в популярных или технических дискуссиях. Репликаторы также называли «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, которую предложил фон Нейман, поэтому его использование не рекомендуется там, где важна точность. Сам фон Нейман использовал термин универсальный конструктор для описания таких самовоспроизводящихся машин.
Машина фон Неймана — термины, названные в честь Джона фон Не́ймана, впервые рассмотревшего эти концепции, и может означать:
Историки станков , даже до эры числового программного управления , иногда образно говорили, что станки были уникальным классом машин, потому что они обладают способностью «воспроизводить себя» , 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 в данной статье.
Колонизация космоса, терраформирование планет – это уже не только темы фантастических романов, а реальные перспективы, серьезно рассматриваемые учеными многих стран. Сложность выполнения подобной задачи обусловлена многими факторами, одним из которых является необходимость создания самовоспроизводящихся машин для проведения терраформирования космических объектов, а также последующего поддержания нормальной жизнедеятельности колонистов.
Самовоспроизводящиеся машины еще называют машинами фон Неймана, американского математика и физика, который предложил идею универсального конструктора, способного сконструировать самостоятельно идентичную машину. Что касается колонизации космоса, то в данном случае речь идет, как правило, о так называемом Зонде фон Неймана. Это космический корабль, способный создавать точные копии себя, а также, в соответствии с программой, искать свидетельства жизнедеятельности (при этом зонд может просто наблюдать или же вступить в контакт и даже попытаться вмешаться в эволюцию).
Фримен Дайсон, другой американский физик, предложил свой вариант зонда фон Неймана – «Астрокурицу», - которая бы была направлена на исследование лишь одной планетной системы, а не космоса в целом. Другой разновидностью зонда фон Неймана стал так называемый Берсеркер, действие которого направлено не просто на обнаружение форм жизнедеятельности, но также на их полное уничтожение. Подобная техника стала главным героем многих фантастических романов, где описываются войны между человечеством и разумными машинами.
Однако учеными все-таки серьезно рассматриваются самовоспроизводящиеся машины, действие которых направлено на вполне мирные цели. Специалисты теоретически рассматривают самовоспроизводящийся космический корабль, который смог бы добывать полезные ископаемые на других планетах, а также воспроизводить свои точные копии для дальнейшей экспансии. Такие корабли могут использовать для террафомирования планеты (например, в проекте по терраформированию Венеры рассматриваются машины, которые бы, бесконечно «размножаясь», поглощали бы углекислый газ и производили кислород).
Также ученые предлагают вариант космических кораблей-сеятелей. Подобные корабли хранят генетические образцы жизненных форм Земли. Такой корабль «путешествует» по космосу и при обнаружении потенциально пригодной для терраформирования (или даже обитаемой) планеты он пытается воспроизвести эти жизненные формы (так называемая эмбриональная колонизация космоса).
В результате работы подобных кораблей-сеятелей на различных планетах может происходить плавная терраформация, которая бы подготовила бы места в космосе для последующей колонизации. В ряде фантастических романов описывается, как корабли воспроизводят из генетических образцов самих колонизаторов – людей.
Вполне возможно, что подобные самовоспроизводящиеся машины будут находиться на пилотируемом корабле (то есть колонизация не обязательно должна быть полностью автоматизированной). Человек в данном случае смог бы самостоятельно регулировать деятельность «разумных» машин. Такой вариант рассматривается, например, в проекте пилотируемого полета на Марс, когда космонавты должны будут сами создавать для себя все условия .
Общая концепция искусственных машин, способных создавать копии самих себя, насчитывает как минимум несколько сотен лет. Раннее упоминание - это анекдот о философе Рене Декарте , который предположил королеве Швеции Кристине, что человеческое тело можно рассматривать как машину; она ответила, указав на часы и приказав «проследить, чтобы они воспроизводили потомство». Существуют и другие варианты этой анекдотической реакции. Сэмюэл Батлер в своем романе 1872 года « Эревон» предположил, что машины уже были способны воспроизводить себя, но это сделал человек , и добавил, что«машины, воспроизводящие машины, не воспроизводят машины по аналогии с ними» . В книге Джорджа Элиота 1879 года « Впечатления о Теофрасте такие» , серии эссе, написанных ею в образе ученого-литературного ученого по имени Теофраст, эссе «Тени грядущей расы» размышляет о самовоспроизводящихся машинах, и Теофраст спрашивает: « откуда мне знать, что они, возможно, не будут в конечном итоге нести, или могут не развиваться сами по себе, условия самоподдержания, самовосстановления и воспроизводства ". [10]
В 1802 году Уильям Пейли сформулировал первый известный телеологический аргумент, изображающий машины, производящие другие машины , предполагая, что вопрос о том, кто первоначально сделал часы, стал спорным, если было продемонстрировано, что часы могут производить копию самих себя. [12] Научное исследование самовоспроизводящихся машин было предвосхищено Джоном Берналом еще в 1929 году [13] и такими математиками, как Стивен Клини, которые начали разработку теории рекурсии в 1930-х годах. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . [14]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 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 . [17] [18]Концепция фон Неймана о физической самовоспроизводящейся машине рассматривалась только абстрактно: 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, очевидно, был недоволен этой моделью самовоспроизводящейся машины из-за сложности ее анализа с математической строгостью.клеточные автоматы . [19] Его первоначальная кинематическая концепция оставалась неясной, пока она не была популяризирована в выпуске журнала Scientific American за 1955 год . [20]
Целью фон Неймманна в своей теории самовоспроизводящихся автоматов , как указано в его лекциях в Университете Иллинойса в 1949 г. [17], было создание машины, сложность которой могла бы автоматически расти, как биологические организмы 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 дизайн 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 как он отдельно транслируется и реплицируется в ячейке.
В 1956 году математик Эдвард Ф. Мур предложил первое известное предложение для практической реальной самовоспроизводящейся машины, также опубликованное в Scientific American . [21] [22] «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 на поверхности океана как самовоспроизводящиеся заводские баржи или быть размещены в бесплодной пустынной местности, которая иначе была бы непригодна для промышленных целей. Саморепликаторы будут «заготовлены» для их составных частей, чтобы человечество могло использовать их в других машинах, которые не реплицируются.
Следующим крупным развитием концепции самовоспроизводящихся машин стала серия мысленных экспериментов, предложенных физиком Фрименом Дайсоном в его лекции Вануксема 1970 года. [23] [24] Он предложил три крупномасштабных применения машинных репликаторов. Сначала было отправить самореплицирующуюся систему , чтобы Сатурн «s луны Энцелад , которые в дополнении к производству копии также будут запрограммированы на производство и запуск солнечного паруса самоходных грузовой космического корабля. Эти космические корабли доставят глыбы льда Энцелади 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 пересмотрел 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 [25] и « Астро-цыпленок ».
В 1980 году, вдохновившись семинаром «Новые направления» 1979 года в Вудс-Хоул, НАСА провело совместное с ASEE летнее исследование под названием Advanced Automation for Space Missions, чтобы подготовить подробное предложение по самовоспроизводящимся фабрикам для разработки лунных ресурсов без дополнительных запусков или запусков. человеческие работники на месте. Исследование проводилось в Университете Санта-Клары и длилось с 23 июня по 29 августа, а окончательный отчет был опубликован в 1982 году. [26] Предлагаемая система могла бы экспоненциально увеличивать производственную мощность, а ее дизайн можно было бы изменить, чтобы построить самооборудование копирующие зонды для исследования галактики.
Эталонный дизайн включал в себя небольшие управляемые компьютером электрические тележки, движущиеся по рельсам внутри фабрики, мобильные «асфальтоукладчики», в которых использовались большие параболические зеркала, чтобы фокусировать солнечный свет на лунном реголите, плавить и спекать его в твердую поверхность, подходящую для строительства, и роботизированный фасад -концевые погрузчики для вскрышных работ . Неочищенный лунный реголит будет очищен различными методами, в первую очередь выщелачиванием фтористоводородной кислотой . 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. Остальную технику разместят под навесом.
« Робот- литейщик » 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 штукатурку можно легко переработать впоследствии, используя духовку, чтобы снова запечь воду. Затем робот отливал большую часть деталей либо из непроводящей расплавленной породы ( базальта ), либо из очищенных металлов. Также была включена система лазерной резки и сварки на углекислом газе .
Для производства компьютеров и электронных систем был задан более спекулятивный и 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. [27] Некоторые эксперты начинают рассматривать самовоспроизводящиеся машины для добычи полезных ископаемых на астероидах .
Большая часть исследования дизайна была связана с простой, гибкой химической системой для обработки руд и различиями между соотношением элементов, необходимых для репликатора, и соотношением, доступным 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 1970 года засеять необитаемые пустыни на Земле самовоспроизводящимися машинами для промышленного развития, Клаус Лакнер и Кристофер Вендт разработали более подробную схему такой системы. [28] [29] [30] 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, обнаруживаемых 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 , в котором описывалось опреснительное оборудование на солнечных батареях, используемое для орошения пустыни, в которой базировалась система. [31] Они назвали свои машины «Auxons», от греческого слова auxein, что означает «расти».
По мере того, как использование промышленной автоматизации со временем расширилось, некоторые предприятия начали приближаться к подобию самодостаточности, что наводит на мысль о самовоспроизводящихся машинах. [57] Однако такие заводы вряд ли достигнут «полного закрытия» [58], пока стоимость и гибкость автоматизированного оборудования не приблизятся к человеческому труду, а производство запасных частей и других компонентов на местном уровне не станет более экономичным, чем их транспортировка из в другом месте. Как указал Сэмюэл Батлер в Erewhon, тиражирование частично закрытых универсальных станкостроительных заводов уже возможно. Поскольку безопасность является основной целью всех законодательных рассмотрений регулирования такого развития, дальнейшие 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 не могут быть легко доступны существующим транспортным системам (например, в космическом пространстве ).
Искусственный репликатор можно рассматривать как форму искусственной жизни . В зависимости от конструкции он может подвергаться эволюции в течение длительного периода времени. [59] Однако, с надежной коррекцией ошибок и возможностью внешнего вмешательства, обычный научно-фантастический сценарий взбесившейся жизни роботов останется крайне маловероятным в обозримом будущем.
Зонд фон Неймана — пример гипотетической концепции, основанной на работе американского математика и физика венгерского происхождения Джона фон Не́ймана.
Фон Нейман тщательно исследовал идею самовоспроизводящихся машин, названные им как «универсальные сборщики», которые часто упоминаются как «машины фон Неймана». Хотя фон Нейман никогда не рассматривал свою работу в приложении к идее космического корабля, позднее теоретики проделали это. Идея самовоспроизводящегося корабля применялась (в теории) для решения нескольких определенных задач, и детальное развитие этого понятия в применении к исследованию космоса известно как зонд фон Неймана. Другие известные варианты включают: Берсеркер и Самовоспроизводящий корабль-сеятель.
Теоретически, самовоспроизводящий космический корабль может быть послан в соседнюю звездную систему, где он будет добывать полезные ископаемые (извлекая их из астероидов, естественных спутников, газовых гигантов и т. п.), чтобы создавать свои точные копии. Затем эти копии отправляются в другие звездные системы, повторяя процесс в экспоненциальной прогрессии. Первоначальный «родительский» зонд продолжает выполнять свое первоначальное назначение в звездной системе. Эти задачи могут существенно различаться в зависимости от предложенной разновидности самовоспроизводящего корабля.
Учитывая схожесть этой модели с моделью размножения бактерий, было указано, что самовоспроизводящиеся машины фон Неймана могут рассматриваться как форма жизни. Эту идею затрагивал Дэвид Брин в своем рассказе «Двоякодышащая рыба» (англ. «Lungfish»), показав, как самовоспроизводящие машины, созданные разными видами, могут конкурировать друг с другом (в дарвиновском смысле) в борьбе за сырье, или даже иметь противоположные задания. При наличии достаточного количества «видов» они могут даже образовать экологическую систему, или, при наличии искусственного разума — общество. Они даже могут подвергаться мутациям на протяжении тысяч «поколений».
Было теоретически доказано, что самовоспроизводящий корабль, использующий относительно традиционные теоретические методы межзвездного путешествия (то есть без экзотических сверхсветовых установок типа «warp drive», и с крейсерской скоростью 0,1 скорости света), может распространиться по галактике размера Млечного пути всего лишь за полмиллиона лет .
Относительная скорость, с которой такие самовоспроизводящие машины могли бы заполонить галактику, отсутствие серьезных теоретических препятствий к их созданию, и отсутствие наблюдаемой активности зондов фон Неймана выдвигались в качестве аргумента в обсуждениях Парадокса Ферми: если они могут быть построены и способны распространяться так быстро, тогда, возможно, то, что мы их не видим, свидетельствует, что мы одни в нашей галактике.
Детали миссии самовоспроизводящих кораблей могут существенно различаться в разных проектах, и единственная их общая черта — самовоспроизводимость.
В классическом варианте Зонда фон Неймана зонд исследует свою целевую систему и передает информацию о ней обратно в систему, откуда он происходит. Если самовоспроизводящий зонд обнаруживает свидетельства примитивной жизни (или примитивной культуры низкого уровня), то, в соответствии с программой, он может: пассивно покоиться, тихо наблюдать, попытаться вступить в контакт (этот вариант известен как зонд Брейсвелла), или даже вмешиваться в эволюцию жизни или направлять ее каким-либо образом.
Физик Пол Дэвис из Университета Аделаиды даже предположил возможность существования зонда, покоящегося на нашей Луне, прибывшего туда в доисторические времена и оставленного для наблюдения за Землей (см. зонд Брейсвелла и Гипотеза Стража).
Интересная разновидность идеи о межзвездном зонде фон Неймана — «Астрокурица», предложенная Фрименом Дайсоном. Хотя она и имеет такие характерные черты, как самовоспроизводимость, исследование, и связь с «базой», Астрокурица предназначена для «обитания» и исследования в пределах одной планетной системы (в концепции Дайсона предполагается наша собственная), а не исследования межзвездного пространства. Представляют интерес предположения о полезности такого автомата в соединении со своим межзвездным родственником, который может использовать «локальных» репликаторов как средство исследования целевой системы.
Более пугающая разновидность самовоспроизводящего космического корабля называется Берсеркер. В отличие от безопасной концепции зонда, Берсеркеры запрограммированы обнаруживать и уничтожать все обнаруженные жизненные формы и населенные экзопланеты.
Этот термин происходит из серии романов Фреда Саберхагена, которые описывают непрекращающуюся войну между человечеством и такими машинами (см. Берсеркер). Саберхаген показывает (посредством одного из персонажей), что корабли-берсеркеры в его романах не являются собственно машинами фон Неймана, но сложный комплекс машин-берсеркеров, включая автоматические верфи, составляет машину фон Неймана. Это снова приводит к понятию экологической системы машин фон Неймана, или даже роя машин фон Неймана.
Аналог «Берсеркеров» — «Подавляющие» — ключевой элемент сюжета серии рассказов «Космический апокалипсис» Аластера Рейнольдса.
Предполагается, что Берсеркеры могут быть созданы и запущены ксенофобной цивилизацией, или возникнуть путем «мутации» более мирных зондов, или для сдерживания космической экспансии разума (как в рассказах Рейнольдса).
Еще один вариант идеи самовоспроизводящего космического корабля — сеятель. Такой корабль может хранить генетические образцы жизненных форм своей родины, возможно даже, своих создателей. При обнаружении обитаемой или пригодной для терраформации экзопланеты, он пытается воспроизвести эти жизненные формы — из сохраненных эмбрионов (см. Эмбриональная колонизация космоса) или сохраненной информации с использованием молекулярной нанотехнологии для «сборки» зигот с различной генетической информацией из местного сырья. Детальное описание корабля-сеятеля (с ограниченными возможностями самовоспроизведения) можно найти в рассказе «Дальний прицел» Вернора Винджа.
Такие корабли могут быть кораблями терраформации, подготавливая миры для последующей колонизации другими кораблями, или — если они запрограммированы для воссоздания, выращивания и обучения представителей создавших их видов — воспроизведения самих колонизаторов.
Надо заметить, эта модель терраформации и колонизации не обязана быть «автоматизированной». Пилотируемые межзвездные колониальные корабли могут следовать похожей модели — и рассматриваться как комбинированный корабль (зонд фон Неймана/сеятель), в котором репликация выполняется с помощью живых обитателей. Некоторые сторонники космической среды обитания утверждают, что цивилизации, использующей такой подход, планеты совершенно не нужны.
Также автоматические корабли-сеятели встречаются в книгах «Резервный космодром» и «Абсолютный враг» Андрея Львовича Ливадного. Но в данных произведениях они играют роль Берсеркеров.
Надеюсь, эта статья про самовоспроизводящиеся машины, была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое самовоспроизводящиеся машины, машина фон неймана, зонд фон неймана и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Робототехника
Комментарии
Оставить комментарий
Робототехника
Термины: Робототехника