Pull to refresh

Модели искусственной жизни. Часть 1

Reading time 5 min
Views 8.3K
Сразу к делу. К чему может привести изучение ИЖ? Как практически применить знания, полученные в данной области? Учёные, работающие по этому направлению, говорят, что их исследования направлены именно на практические приложения, такие как подвижные роботы, медицина, нанотехнология, искусственный интеллект, и даже исследования социальных и экономических систем. Но в истории искусственной жизни было довольно много споров и противоречий. Многие скептики критикуют некоторые работы по искусственной жизни, называя их «наукой без фактов». Однако последние публикации по искусственной жизни свидетельствуют о том, что технологии, используемые для моделирования искусственной жизни, признаются научным сообществом, по крайней мере, для изучения эволюции.

Основной проблемой ИЖ является создание вычислительных систем и моделей, действующих на базе биологических и эволюционных принципов. Проще говоря, это «мир, созданный человеком». Но до определённого времени работа в данной области ограничивалась лишь теоретическими исследованиями свойств жизни. А моделирование — лишь построением отдельных частей биологических систем, таких, например, как адаптивное поведение или эволюция. Но в последнее время, во многом благодаря развитию нанотехнологий и молекулярной биологии, а также благодаря возросшему пониманию назначения отдельных генов и способов их взаимодействия и появлению средств манипуляции отдельными молекулами, развивается новое направление ИЖ, направленное на создание новых, искусственно синтезированных биологических форм, что требует философского обоснования ИЖ и, как минимум, определения понятия «жизнь» (что же вообще понимать под этим словом). Сегодня сторонники данного направления говорят, что они исследуют более общие формы жизни, чем те, которые существуют на Земле.Давайте попробуем отследить примерный ход развития ИЖ — c чего всё начиналось и к чему в будущем данное направление может привести.

PolyWorld (ПолиМир)

Автор: Larry Yaeger, 1993

Итак, нам стало понятно, что искусственная жизнь — это не что иное, как попытка изучить саму жизнь, живые системы, их эволюцию, с помощью созданных человек программ. Но интересно, как всё это может работать на практике: в медицине, робототехнике, для исследования «жизни» социальных и экономических систем и т.п.
Для начала рассмотрим одну из первых моделей искусственной жизни, в которой проведено программное моделирование достаточно простых процессов организмов — это ПолиМир Ларри Ягера.
Модель можно представить себе как большой стол, ограниченный стенами по краям. На этом столе живут искусственные организмы. Они двигаются, поглощают пищу, скрещиваются, давая потомков. Также организмы могут вступать в борьбу с другими, при этом побеждённый превращается в пищу. Ягер присвоил организмам интересную особенность — все они обладают цветом и цветовым зрением. Например, если организм вступает в борьбу, то он краснеет, а если испытывает желание скреститься — синеет.
Все эти свойства позволяют популяции данных организмов эволюционировать, что помогает нам, собственно, прочувствовать, увидеть и проанализировать подобные эволюционные процессы. Фактически модель Ягера показала:
  • Сложное цветовое зрение вполне могло сформироваться в процессе эволюции
  • Возможно эволюционное формирование трёх стратегий: «тупая корова», «ленивый каннибал» и «жизнь на крае мира».

«Тупая корова» — условное название стратегии, в которой организм движется прямолинейно с максимальной скоростью, поедает все встречающиеся лужайки пищи и скрещивается со всеми, кого встретит.
«Ленивый каннибал» — вторая стратегия, организм крутиться на месте, скрещиваясь или вступая в борьбу с каждым, кто приблизится (поедая соперника в случае победы или погибая в случае поражения).
Жизнь «на крае мира» — стратегия появлялась только в некоторых экспериментах, организмы циркулировали по или против часовой стрелки вдоль барьеров, ограничивающих стол, и это приводило к определённым преимуществам, так как здесь организмы чаще, чем обычно находили особей, с которыми можно скреститься или побороться.


Interaction between learning and Evolution

Авторы: D. Ackley, M. Littman, 1992

Подводя небольшой итог предыдущей главы, можно сказать, что Ларри Ягер, с помощью своего ПолиМира, реализовал не что иное, как естественный отбор искусственных организмов и ничего больше. Именно это подразумевается под словом «Эволюция» в ПолиМире. Экли и Литтман постарались немного расширить этот термин. Их работа — это модель взаимодействия обучения и эволюции.
Общая схема поведения агентов довольно проста. Агенты живут в двумерном мире, разбитом на клетки. В клетках могут располагаться сами агенты, деревья, хищники, трава и камни. Соответственно агенты — это главная «единица» мира, а всё остальное разнообразным образом влияет на них.
Хищники бьют агентов, причём сильнее, чем агенты хищников. Средством для защиты от хищников служит дерево, на которое может забраться агент, если там нет другого агента. Но и находиться постоянно на дереве опасно, так как деревья со временем погибают, убивая сидящего на нём агента.
Каждый агент имеет свою нейронную сеть, с помощью которой он и принимает решения о своих действиях. Нейронная сеть агента состоит из двух блоков:
  1. Блок поведения, т.е. блок, определяющий действия агента в каждый такт времени.
  2. Блок оценки действий, т.е. блок, формирующий цели поведения агента.

Собственно эти блоки и позволяют совместить в данной модели обучение и эволюцию. Блок оценки действия «вырабатывает» обучающий сигнал для блока поведения, который в свою очередь заставляет агента действовать соответствующим образом. Сам сигнал может быть либо положительным, если блок оценки «считает», что команда блока поведения улучшила жизнь агента, либо отрицательным — в противном случае. Таким образом, после разных успехов и неудач агента, его нейронная сеть корректируется и принимает в тех же действиях «правильные» решения. Так и осуществляется обучение.
А в процессе скрещивания двух агентов, их нейронные сети передаются потомкам — так осуществляется эволюция в модели.
Результаты работы Экли и Литтмана были весьма и весьма интересны. Они запускали модель поочередно: сначала модель только с обучением, потом модель только с эволюцией и наконец модель полную, и с обучением и с эволюцией. Стало понятно, что при взаимодействии обучения и эволюции агенты не вымирали на протяжении миллиона тактов жизни (а один раз число тактов достигло 9∙106), в то время как при одиночных моделях агенты вымирали в 5-7 раз быстрее!


PS Хочу ещё дописать обзор таких моделей, как «Кузнечик», «Муравьиная ферма» и «Тьерра». Хабравчанам интересно?
PPS Наверное, имеет смысл перевести пост в блог Искусственный интеллект, но у меня не получилось, т.ч. прошу прощения.

UPD Большое спасибо всем за карму, позволившую опубликовать статью в нужном блоге и за комментарии! Начинаю писать часть 2.
UPD Если нет желания собрать ПолиМир, то можно просто посмотреть видео и графики.

Tags:
Hubs:
+58
Comments 35
Comments Comments 35

Articles