Самовоспроизводящиеся машины: от теории к практике

Самовоспроизводящиеся машины: роботы, способные к автономному копированию, используя ресурсы среды. Теория, планы по освоению космоса и добыче ресурсов.

13 мин чтения

100%

Источник: Self-replicating machine — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Устройство, способное к самокопированию

Самовоспроизводящаяся машина — это тип автономного робота, способного самостоятельно воспроизводить себя, используя сырье, найденное в окружающей среде, тем самым демонстрируя самовоспроизведение, аналогичное тому, что встречается в природе. Концепция самовоспроизводящихся машин была развита и изучена Гомером Джейкобсоном, Эдвардом Ф. Муром, Фрименом Дайсоном, Джоном фон Нейманом и Конрадом Цузе, который предоставил первый всесторонний анализ всего пространства проектирования репликаторов. Дальнейшее развитие подобных технологий является неотъемлемой частью нескольких планов, включающих добычу руды и других материалов на лунах и в поясах астероидов, создание лунных заводов и даже строительство солнечных электростанций в космосе. Зонд фон Неймана — один из теоретических примеров такой машины. Фон Нейман также работал над тем, что он назвал универсальным конструктором — самовоспроизводящейся машиной, способной к эволюции, которую он формализовал в среде клеточных автоматов. Важно отметить, что схема самовоспроизводящегося автомата фон Неймана постулировала, что неограниченная эволюция требует, чтобы унаследованная информация копировалась и передавалась потомству отдельно от самовоспроизводящейся машины, что предвосхитило открытие структуры молекулы ДНК Уотсоном и Криком и механизмы ее раздельного транслирования и репликации в клетке. Самовоспроизводящаяся машина — это искусственная система самовоспроизведения, опирающаяся на традиционные крупномасштабные технологии и автоматизацию. Концепция, впервые предложенная фон Нейманом не позднее 1940-х годов, привлекла различные подходы с использованием разных типов технологий. В литературе иногда встречаются специфические термины. Например, Дрекслер однажды использовал термин «гремящий репликатор», чтобы отличить макромасштабные реплицирующие системы от микроскопических нанороботов или «ассемблеров», которые может сделать возможной нанотехнология, но этот термин неформален и редко используется другими в научных или популярных дискуссиях. Репликаторы также называют «машинами фон Неймана» в честь Джона фон Неймана, который впервые тщательно изучил эту идею. Однако термин «машина фон Неймана» менее конкретен и также относится к совершенно иной компьютерной архитектуре, предложенной фон Нейманом, поэтому его использование не рекомендуется, когда важна точность. Самовоспроизведение происходит путем копирования всех их частей. В этих обсуждениях подразумевается, что человек будет руководить процессами резки (а затем планировать и программировать машины) и собирать детали. То же самое справедливо и для RepRap, которые являются еще одним классом машин, иногда упоминаемых в связи с такими неавтономными «самовоспроизведениями». Напротив, машины, которые действительно автономно самовоспроизводятся (например, биологические машины), являются основной темой, рассматриваемой здесь.

A self replicating machine is a type of autonomous robot that is capable of reproducing itself autonomously using raw materials found in the environment, thus exhibiting self replication in a way analogous to that found in nature. The concept of self replicating machines has been advanced and examined by Homer Jacobson, Edward F. Moore, Freeman Dyson, John von Neumann, Konrad Zuse which provided the first comprehensive analysis of the entire replicator design space. The future development of such technology is an integral part of several plans involving the mining of moons and asteroid belts for ore and other materials, the creation of lunar factories, and even the construction of solar power satellites in space. The von Neumann probe is one theoretical example of such a machine. Von Neumann also worked on what he called the universal constructor, a self replicating machine that would be able to evolve and which he formalized in a cellular automata environment. Notably, Von Neumann's Self Reproducing Automata scheme posited that open ended evolution requires inherited information to be copied and passed to offspring separately from the self replicating machine, an insight that preceded the discovery of the structure of the DNA molecule by Watson and Crick and how it is separately translated and replicated in the cell. A self replicating machine is an artificial self replicating system that relies on conventional large scale technology and automation. The concept, first proposed by Von Neumann no later than the 1940s, has attracted a range of different approaches involving various types of technology. Certain idiosyncratic terms are occasionally found in the literature. For example, the term clanking replicator was once used by Drexler to distinguish macroscale replicating systems from the microscopic nanorobots or "assemblers" that nanotechnology may make possible, but the term is informal and is rarely used by others in popular or technical discussions. Replicators have also been called "von Neumann machines" after John von Neumann, who first rigorously studied the idea. However, the term "von Neumann machine" is less specific and also refers to a completely unrelated computer architecture that von Neumann proposed and so its use is discouraged where accuracy is important. by copying all of their parts. Implicit in these discussions is that a human would direct the cutting processes (later planning and programming the machines), and would then assemble the parts. The same is true for RepRaps, which are another class of machines sometimes mentioned in reference to such non autonomous "self replication". In contrast, machines that are truly autonomously self replicating (like biological machines) are the main subject discussed here.

История

Общая концепция искусственных машин, способных создавать копии самих себя, восходит как минимум к нескольким сотням лет. Ранним упоминанием является анекдот о философе Рене Декарте, который предположил королеве Швеции Кристине, что человеческое тело можно рассматривать как машину; она ответила, указав на часы и приказав "позаботьтесь о том, чтобы они производили потомство". Существует также несколько других вариаций этого анекдотического ответа. Сэмюэл Батлер в своем романе "Эревон" (1872) предположил, что машины уже способны к самовоспроизводству, но именно человек заставлял их это делать, и добавил, что "машины, воспроизводящие машины, не воспроизводят машины по своему роду". В книге Джорджа Элиот "Впечатления Теофраста Сака" 1879 года, представляющей собой серию эссе, написанных от лица вымышленного ученого по имени Теофраст, эссе "Тени грядущей расы" рассуждало о самовоспроизводящихся машинах, и Теофраст спрашивал: "как я могу знать, что они не могут быть в конечном итоге созданы для обеспечения или не могут сами развивать условия самообеспечения, 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 создал часы, теряет смысл, если будет доказано, что часы способны изготавливать свою копию. Научное изучение самовоспроизводящихся машин было предсказано Джоном Берналом еще в 1929 году и математиками, такими как Стивен Клин, который начал разрабатывать теорию рекурсии в 1930-х годах. Однако большая часть этих работ была мотивирована интересом к обработке информации и алгоритмам, а не к физической реализации такой системы. В течение 1950-х годов были предложены несколько все более простых механических систем, способных к самовоспроизводству, в частности, Лайонелом Пенроузом.

Кинематическая модель фон Ноймана

Подробное концептуальное предложение по созданию 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. Концепция фон Неймана физической самовоспроизводящейся машины рассматривалась лишь абстрактно, при этом гипотетическая машина использовала "море" или хранилище запасных частей в качестве источника сырья. Машина имела программу, хранящуюся на магнитной ленте памяти, которая давала ей указания извлекать детали из этого "моря" с помощью манипулятора, собирать их в дубликат самой себя, а затем копировать содержимое своей ленты памяти в пустой дубликат. Машина представлялась состоящей всего лишь из восьми различных типов компонентов: четыре логических элемента, посылающих и принимающих сигналы, и четыре механических элемента, используемых для обеспечения структурного каркаса и подвижности. Несмотря на качественную обоснованность, фон Нейман, очевидно, был недоволен этой моделью самовоспроизводящейся машины из-за сложности её математически строгого анализа. Впоследствии он разработал еще более абстрактную модель самовоспроизводителя, основанную на клеточных автоматах. Его первоначальная кинематическая концепция оставалась малоизвестной до тех пор, пока она не была популяризирована в выпуске журнала Scientific American за 1955 год. Цель фон Неймана в разработке теории самовоспроизводящихся автоматов, как он указал в своих лекциях в Университете Иллинойса в 1949 году, заключалась в создании машин, подобных "искусственным живым растениям" Мура, способных использовать воздух, воду и почву в качестве источников сырья и получать энергию от солнечного света с помощью солнечной батареи или парового двигателя. Он выбрал морское побережье в качестве первоначальной среды обитания для таких машин, обеспечив им легкий доступ к химическим веществам в морской воде, и предположил, что более поздние поколения машин могут быть спроектированы для свободного плавания по поверхности океана в виде самовоспроизводящихся заводских барж или для размещения в бесплодной пустынной местности, не пригодной для промышленных целей. Самовоспроизводители будут "собираться" для извлечения их компонентов, которые затем будут использоваться человечеством в других машинах, не способных к самовоспроизводству.

A detailed conceptual proposal for a self replicating machine was first put forward by mathematician John von Neumann in lectures delivered in 1948 and 1949, when he proposed a kinematic model of self reproducing automata as a thought experiment. Von Neumann's concept of a physical self replicating machine was dealt with only abstractly, with the hypothetical machine using a "sea" or stockroom of spare parts as its source of raw materials. The machine had a program stored on a memory tape that directed it to retrieve parts from this "sea" using a manipulator, assemble them into a duplicate of itself, and then copy the contents of its memory tape into the empty duplicate's. The machine was envisioned as consisting of as few as eight different types of components; four logic elements that send and receive stimuli and four mechanical elements used to provide a structural skeleton and mobility. While qualitatively sound, von Neumann was evidently dissatisfied with this model of a self replicating machine due to the difficulty of analyzing it with mathematical rigor. He went on to instead develop an even more abstract model self replicator based on cellular automata. His original kinematic concept remained obscure until it was popularized in a 1955 issue of Scientific American. Von Neumann's goal for his self reproducing automata theory, as specified in his lectures at the University of Illinois in 1949, Moore's "artificial living plants" were proposed as machines able to use air, water and soil as sources of raw materials and to draw its energy from sunlight via a solar battery or a steam engine. He chose the seashore as an initial habitat for such machines, giving them easy access to the chemicals in seawater, and suggested that later generations of the machine could be designed to float freely on the ocean's surface as self replicating factory barges or to be placed in barren desert terrain that was otherwise useless for industrial purposes. The self replicators would be "harvested" for their component parts, to be used by humanity in other non replicating machines.

Системы копирования Дайсона

Следующим важным развитием концепции самовоспроизводящихся машин стала серия мысленных экспериментов, предложенных физиком Фрименом Дайсоном в его лекции Ванюксема 1970 года. Он предложил три масштабных применения машин-репликаторов. Первым было отправление самовоспроизводящейся системы на спутник Сатурна Энцелад, которая, помимо создания копий себя, также должна была быть запрограммирована на производство и запуск грузовых космических аппаратов, использующих солнечные паруса. Эти аппараты должны были доставлять блоки энцеладского льда на Марс, где они использовались бы для терраформирования планеты. Второе его предложение – солнечная фабрика, предназначенная для использования в земной пустынной среде, а третье – "комплект для промышленного развития", основанный на этом репликаторе, который можно было бы продавать развивающимся странам для обеспечения их необходимым промышленным потенциалом. Когда Дайсон пересмотрел и переиздал свою лекцию в 1979 году, он добавил предложения по модифицированной версии морских искусственных живых растений Мура, предназначенных для дистилляции и хранения пресной воды для нужд человека, и "Астроцыпленку".

Передовая автоматизация для космических миссий

В 1980 году, вдохновленные «Семинаром новых направлений» 1979 года, проведенным в Вудс-Холле, NASA совместно с ASEE провели летнее исследование под названием «Продвинутая автоматизация для космических миссий» с целью разработки детального предложения по созданию самовоспроизводящихся фабрик для освоения лунных ресурсов без необходимости дополнительных запусков или присутствия людей на месте. Исследование проводилось в Университете Санта-Клары с 23 июня по 29 августа, а окончательный отчет был опубликован в 1982 году. Предлагаемая система могла экспоненциально увеличивать производственные мощности, а ее конструкция могла быть модифицирована для создания самовоспроизводящихся зондов для исследования галактики. В базовом проекте предусматривались небольшие, управляемые компьютерами электрические тележки, движущиеся по рельсам внутри фабрики, мобильные «укладчики покрытия», использующие большие параболические зеркала для фокусировки солнечного света на лунном реголите, чтобы расплавить и спечь его в прочную поверхность, пригодную для строительства, и роботизированные погрузчики для разработки открытых карьеров. Сырой лунный реголит должен был перерабатываться различными методами, в основном с использованием выщелачивания плавиковой кислотой. В качестве строителей, собирающих новые фабрики из деталей и узлов, производимых «родительской» фабрикой, предлагались крупные транспортные средства с разнообразными манипуляторами и инструментами. Энергоснабжение обеспечивалось «навесом» из солнечных панелей, поддерживаемых на опорах, под которым размещалось остальное оборудование. «Литейный робот» использовал инструменты для формовки и шаблоны для изготовления гипсовых форм. Гипс был выбран из-за простоты изготовления форм, возможности получения точных деталей с хорошей поверхностью и легкости последующей переработки гипса путем высушивания в печи для удаления воды. Затем робот отливал большинство деталей из непроводящих расплавленных пород (базальта) или очищенных металлов. Также входила система лазерной резки и сварки углекислым лазером. Для производства компьютерных и электронных систем был разработан более сложный и гипотетический производитель микросхем, но конструкторы также отметили, что может оказаться практичным доставлять микросхемы с Земли, как если бы это были «витамины». Исследование 2004 года, поддержанное Институтом перспективных концепций NASA, развило эту идею. Некоторые эксперты начинают рассматривать самовоспроизводящиеся машины для добычи полезных ископаемых на астероидах. Значительная часть конструкторского исследования была посвящена простой и гибкой химической системе для переработки руды, а также различиям между соотношением элементов, необходимых репликатору, и соотношением элементов, доступных в лунном реголите. Наиболее ограничивающим фактором скорости роста был хлор, необходимый для переработки реголита для получения алюминия, поскольку хлор очень редок в лунном реголите.

In 1980, inspired by a 1979 "New Directions Workshop" held at Wood's Hole, NASA conducted a joint summer study with ASEE entitled Advanced Automation for Space Missions to produce a detailed proposal for self replicating factories to develop lunar resources without requiring additional launches or human workers on site. The study was conducted at Santa Clara University and ran from June 23 to August 29, with the final report published in 1982. The proposed system would have been capable of exponentially increasing productive capacity and the design could be modified to build self replicating probes to explore the galaxy. The reference design included small computer controlled electric carts running on rails inside the factory, mobile "paving machines" that used large parabolic mirrors to focus sunlight on lunar regolith to melt and sinter it into a hard surface suitable for building on, and robotic front end loaders for strip mining. Raw lunar regolith would be refined by a variety of techniques, primarily hydrofluoric acid leaching. Large transports with a variety of manipulator arms and tools were proposed as the constructors that would put together new factories from parts and assemblies produced by its parent. Power would be provided by a "canopy" of solar cells supported on pillars. The other machinery would be placed under the canopy. A "casting robot" would use sculpting tools and templates to make plaster molds. Plaster was selected because the molds are easy to make, can make precise parts with good surface finishes, and the plaster can be easily recycled afterward using an oven to bake the water back out. The robot would then cast most of the parts either from nonconductive molten rock (basalt) or purified metals. A carbon dioxide laser cutting and welding system was also included. A more speculative, more complex microchip fabricator was specified to produce the computer and electronic systems, but the designers also said that it might prove practical to ship the chips from Earth as if they were "vitamins." A 2004 study supported by NASA's Institute for Advanced Concepts took this idea further. Some experts are beginning to consider self replicating machines for asteroid mining. Much of the design study was concerned with a simple, flexible chemical system for processing the ores, and the differences between the ratio of elements needed by the replicator, and the ratios available in lunar regolith. The element that most limited the growth rate was chlorine, needed to process regolith for aluminium. Chlorine is very rare in lunar regolith.

Репликаторы Lackner-Wendt Auxon

В 1995 году, вдохновленные предложением Дайсона 1970 года о засеве необитаемых пустынь на Земле самовоспроизводящимися машинами для промышленного развития, Клаус Лакнер и Кристофер Вендт разработали более детальный проект такой системы. Они предложили колонию из совместно работающих мобильных роботов размером 10–30 см, перемещающихся по сети электрифицированных керамических рельсов вокруг стационарного производственного оборудования и полей солнечных батарей. В их проекте отсутствовал полный анализ материальных потребностей системы, но был описан новый метод извлечения десяти наиболее распространенных химических элементов, содержащихся в сырой пустынной почве (Na, Fe, Mg, Si, Ca, Ti, Al, C, O2 и H2), с использованием высокотемпературного карботермического процесса. Этот проект был популяризирован в журнале Discover, где было представлено оборудование для опреснения воды на солнечной энергии, используемое для орошения пустыни, на территории которой должна была быть развернута система. Они назвали свои машины "Ауксоны", от греческого слова auxein, означающего "расти".

Запуск самовоспроизводящихся заводов в космосе

В 2012 году исследователи НАСА Метцгер, Мускателло, Мюллер и Мантовани выдвинули аргументы в пользу так называемого "подхода начальной загрузки" для создания самовоспроизводящихся производств в космосе. Они разработали эту концепцию на основе технологий использования местных ресурсов (ISRU), которые НАСА разрабатывает для "обеспечения себя всем необходимым" на Луне или Марсе. Их моделирование показало, что всего за 20-40 лет эта отрасль сможет стать самодостаточной, а затем значительно вырасти, что позволит расширить освоение космоса и принести пользу Земле. В 2014 году Томас Калиль из Управления науки и технологий Белого дома опубликовал в блоге Белого дома интервью с Метцгером о создании цивилизации Солнечной системы посредством самовоспроизводящейся космической промышленности. Калиль обратился к общественности с просьбой предложить идеи о том, как "администрация, частный сектор, меценаты, научное сообщество и популяризаторы науки могут способствовать достижению этих целей". Калиль связал эту концепцию с тем, что бывший главный технолог НАСА Мейсон Пек назвал "Безмассовым исследованием" – способностью производить все необходимое в космосе, чтобы не требовалось запускать это с Земли. Пек заявил: "Вся масса, необходимая для исследования Солнечной системы, уже находится в космосе. Она просто имеет неправильную форму". В 2016 году Метцгер утверждал, что полностью самовоспроизводящуюся промышленность можно запустить в течение нескольких десятилетий астронавтами на лунном аванпосте, общая стоимость (аванпост плюс запуск промышленности) составит примерно треть космических бюджетов стран-партнеров Международной космической станции, и что эта промышленность решит энергетические и экологические проблемы Земли, а также обеспечит безмассовое исследование.

Мотивы плитки искусственной ДНК Нью-Йоркского университета

В 2011 году группа ученых из Нью-Йоркского университета создала структуру под названием "BTX" (bent triple helix), основанную на трех молекулах двойной спирали, каждая из которых состоит из короткой цепи ДНК. Рассматривая каждую группу из трех двойных спиралей как кодовую букву, они могут (в принципе) создавать самореплицирующиеся структуры, способные кодировать большие объемы информации.

Самовоспроизведение магнитных полимеров

В 2001 году Ярль Брейвик из Университета Осло создал систему магнитных строительных блоков, которые в ответ на колебания температуры спонтанно формируют самореплицирующиеся полимеры.

Самовоспроизведение нейронных цепей

В 1968 году Зелиг Харрис написал, что "метаязык содержится в языке", предполагая, что самовоспроизведение является неотъемлемой частью языка. В 1977 году Никлаус Вирт формализовал это утверждение, опубликовав самовоспроизводящуюся детерминированную грамматику, свободную от контекста. Дополнив это вероятностями, Бертран дю Кастель опубликовал в 2015 году самовоспроизводящуюся стохастическую грамматику и представил соответствие между этой грамматикой и нейронными сетями, тем самым предложив модель самовоспроизводящейся нейронной схемы.

Гарвардский институт Уисса

29 ноября 2021 года команда из Гарвардского института Уисса создала первых живых роботов, способных к самовоспроизведению.

Самовоспроизводящийся космический аппарат

Идея автоматического космического аппарата, способного создавать копии самого себя, была впервые предложена в научной литературе в 1974 году Майклом А. Арбибом, однако эта концепция ранее встречалась в научной фантастике, например, в романе 1967 года «Berserker» Фреда Сберхагена или в трилогии повестей 1950 года «Путешествие космического Бегла» А. Э. ван Вогта. Первый количественный инженерный анализ самовоспроизводящегося космического аппарата был опубликован Робертом Фрейтасом в 1980 году, в котором несамовоспроизводящийся проект «Дедал» был модифицирован для включения всех подсистем, необходимых для самовоспроизведения. Стратегия заключалась в использовании зонда для доставки «зародышевой» фабрики массой около 443 тонн в удалённое место, размножении этой фабрикой множества своих копий для увеличения общей производственной мощности, а затем использовании полученного автоматизированного промышленного комплекса для строительства дополнительных зондов, каждый из которых несёт на борту одну зародышевую фабрику.

Перспективы реализации

По мере расширения использования промышленной автоматизации, некоторые заводы начали приближаться к подобию самодостаточности, что наводит на мысль о самовоспроизводящихся машинах. Однако такие заводы вряд ли достигнут "полной замкнутости", пока стоимость и гибкость автоматизированного оборудования не сравняются со стоимостью человеческого труда, а производство запасных частей и других компонентов на месте не станет экономически выгоднее их транспортировки из других регионов. Как указал Сэмюэл Батлер в "Эревоне", репликация частично замкнутых универсальных машиностроительных заводов уже возможна. Поскольку безопасность является приоритетом при законодательном регулировании подобных разработок, будущие усилия могут быть сосредоточены на системах, лишенных замкнутости в отношении управления, материи или энергии. Полностью функциональные машины-репликаторы наиболее полезны для освоения ресурсов в опасных средах, недоступных для существующих транспортных систем (например, в космосе). Искусственный репликатор можно рассматривать как форму искусственной жизни. В зависимости от конструкции, он может подвергаться эволюции в течение длительного времени. Однако благодаря надежной коррекции ошибок и возможности внешнего вмешательства, распространенный научно-фантастический сценарий о вышедшей из-под контроля роботизированной жизни останется крайне маловероятным в обозримом будущем.

В художественной литературе

Авторы, которые использовали самовоспроизводящуюся машину в произведениях художественной литературы, включают: Филипп К. Дик, "Самовоспроизводящиеся фундаментальные машины для изготовления (F Units)" Изобретатель: Коллинз; Чарльз М. (Бёрк, Вирджиния) (август 1997), "Самовоспроизводящаяся фундаментальная система машины для изготовления" Изобретатель: Коллинз; Чарльз М. (Бёрк, Вирджиния) (июнь 1998); и патент PCT Коллинза 96/20453: "Метод и система для самовоспроизводящихся производственных станций" Изобретатели: Меркл; Ральф С. (Саннивейл, Калифорния), Паркер; Эрик Г. (Уайли, Техас), Скидмор; Джордж Д. (Плано, Техас) (январь 2003 г.). Макроскопические репликаторы кратко упоминаются в четвертой главе книги К. Эрика Дрекслера "Моторы творения" (Engines of Creation) 1986 года. Сабо писал, что этот подход был проще предыдущих предложений по макромасштабным репликаторам, но успешно предсказал, что даже этот метод не приведет к созданию макромасштабного репликатора в течение десяти лет. В 2004 году Роберт Фрейтас и Ральф Меркл опубликовали первый всеобъемлющий обзор области самовоспроизведения (из которого большая часть материала в этой статье взята, с разрешения авторов), в своей книге Kinematic Self Replicating Machines, включающей более 3000 ссылок на литературу, основы математики репликации и первый всеобъемлющий анализ всего пространства проектирования репликаторов.