Fascynujący świat sztucznych organizmów (część I)

Arleta Piwowarczyk

Na początku stoi zupełnie nieruchomo, ciało zastygłe, pełne oczekiwania. I nagle jakby dotknięty czarodziejską pałeczką, zaczyna przemierzać kolejne centymetry tajemniczego świata. Całkiem nieźle sobie radzi, choć dookoła krajobraz dość nieprzyjazny – wielkie pagórki piaszczyste, gdzieś w oddali może czaić się nieprzyjaciel. Niebezpieczeństwo czyha na każdym kroku. To jednak nie przeszkadza w wyprawie do najdalej położonych obszarów – przecież trzeba dobrze poznać teren, na którym się żyje. Ciało może sprawia troszkę kłopotów, jest dosyć niezręczne, szybkość też na średnim poziomie, ale ile w nim życia!

Co to za stworzenie? Gdzie żyje? To Ydydor Agazir we własnej – hm – ‘osobie’. Przedstawiciel gatunku framstick, żyjącego w świecie wcale nie tak dalekim od naszego, właściwie każdy może go mieć we... własnym komputerze. Świat, z racji wymogów symulatora jest dość ograniczony, ale stwarza ogromne możliwości. Nasz znajomy z piaszczystych pagórków to wirtualne wcielenie sztucznej inteligencji. A sztuczna inteligencja to bardzo bliska krewna sztucznego życia. Ktoś powie: a cóż to za dziwaczna i nieprawidłowa nazwa. Przecież życie nie może być sztuczne! Życie z samego swojego założenia jest „żywe” i nie można mówić o sztuczności. A jeśli coś jest sztuczne nie ma mowy o istnieniu życia.

Ale jak się okazuje – jest to wniosek zbyt pochopny. Na Ziemi istnieje życie i my znamy je tylko w takiej postaci i tylko ten przypadek możemy badać. Nie jest jednak wykluczone, że mogą istnieć inne formy „życia”, które nie są oparte na związkach węgla i nie przypominają typowych zachowań istot żyjących na Ziemi. Aby uzyskać ogólniejszą teorię o życiu potrzebny byłby zbiór przykładów na podstawie których można by było ją uogólnić. Z powodu braku życia obcego pochodzenia, jedynym wyjściem jest wykreowanie alternatywnych form życia. Jest to właśnie sztuczne życie czyli dosłownie „Życie stworzone przez Człowieka, a nie przez Naturę”. Przy takim podejściu zamiast badać jak działają żywe organizmy trzeba starać się tworzyć sztuczne (m.in. komputerowe) systemy, których zachowania imitowałyby reakcje żywych organizmów. „Życie, które znamy” ewoluuje do „Życia, które mogłoby być”. Można zatem powiedzieć, ze sztuczne życie to systemy stworzone przez człowieka oparte na zachowaniach charakterystycznych dla naturalnych żywych systemów. Jest to także dziedzina poświęcona zrozumieniu życia poprzez określenie podstawowych praw biologii, przeniesienie ich do innego środowiska np. komputerowego w postaci reguł i przeprowadzenie symulacji i testów. Portal Sztucznego Życia alife.pl udostępnia liczne programy i zasoby ilustrujące opisywane tu zagadnienia.

Poznawanie życia takim, jakie jest i takim, jakie mogłoby być staje się prawdziwie pasjonującym zajęciem. Możliwe jest przy tym obserwowanie najrozmaitszych form życia, śledzenie ich rozwoju oraz analiza poczynionych spostrzeżeń. Wraz z pierwszymi w ten sposób wykreowanymi organizmami, bardzo dynamicznie i ciekawie rozwijała się inna gałąź nauki, poprzedniczka sztucznego życia, sztuczna inteligencja. Dziś te dwa pojęcia są często łączone – nie bez racji. Ale czym jest w takim razie sztuczna inteligencja? Czy jedyna różnica między sztuczną a prawdziwą inteligencją polega na źródle, z jakiego się wywodzi: mózgu człowieka i mózgu maszyny? Jeśli zgodzimy się z poglądem Alana Turinga, z początków XX wieku, że wszelkie myślenie jest obliczaniem, wtedy będziemy skłonni postawić znak równości między inteligencją maszyny i człowieka. Tzw. test Turinga jednak nie potwierdził tej tezy, a polegał on na dość prostym założeniu: maszynę będzie można uznać za inteligentną, gdy po konfrontacji z człowiekiem, nie będzie on wstanie powiedzieć czy miał do czynienia z maszyną czy z drugim człowiekiem. Jak wiadomo, pomimo wielu wysiłków w tej dziedzinie, pomyślnie testu nie przeszedł dotychczas żaden komputer.

Z powyższego można wysnuć wniosek, ze myślenie i inteligencja człowieka to nie tylko moc obliczeniowa jego mózgu. W procesie tym bierze udział szereg innych czynników, które wpływają na potencjał i stopień inteligencji człowieka, wśród nich jest jeden niezwykle ważny: świadomość, której nawet w najmniejszym stopniu nie przejawiły maszyny cyfrowe. Jak widać, pod tym względem nie mogą one konkurować z człowiekiem, ale jeśli trochę zmodyfikujemy pojęcie inteligencji (jest to proces pozyskiwania i przetwarzania informacji dla osiągania wyznaczonych celów – definicja Norberta Wienera, 1894-1964), to okaże się, że pod tym względem maszyna i człowiek są na równym poziomie, a jeśli chodzi o szybkość, komputer znacznie może człowieka przewyższyć.

Nas interesuje jednak kwestia, jak doszło do powstania sztucznego życia i jakie ma ono powiązanie ze sztuczną inteligencją. Życie w każdym swoim przejawie i na każdej płaszczyźnie opiera się na prostych interakcjach pomiędzy poszczególnymi jednostkami, które wzajemnie na siebie wpływają. Ta prosta zasada obowiązuje w niezwykle złożonym i różnorodnym świecie żywych organizmów. Podobne zasady wykorzystał w 1968 roku brytyjski matematyk John Conway, tworząc Grę w Życie (Game of Life). Polega ona na stosowaniu określonych reguł dla każdego kwadratu reprezentującego komórkę w pewnej siatce. Te reguły to:

• Każdy czarny kwadracik (komórka) jest żywy. Każda biała komórka jest martwa.
• Każda komórka ma ośmiu sąsiadów.
• Każda komórka może jako żywa przejść do następnej generacji, jeżeli jej dwóch lub trzech sąsiadów to żywe komórki.
• Jeśli więcej niż trzy (zatłoczenie) lub mniej niż dwie (izolacja) sąsiednie komórki są żywe, to komórka umiera.
• Każda martwa komórka może zostać ożywiona, jeżeli jej trzech sąsiadów to żywe komórki.

Stosowanie tych reguł za każdym razem dla każdej komórki jest równoznaczne z przechodzeniem z jednego pokolenia do drugiego. Kolejne generacje charakteryzują się zmianami wzorów powstających przy wizualizacji tego procesu. Po rozpoczęciu działania algorytmu od jakiegoś początkowego schematu komórek (losowego lub konkretnego) można się spodziewać nawet wyjątkowo złożonych fascynujących kształtów. Niektóre układy komórek szybko stawały się nieuporządkowanym zbiorem i umierały, ale inne pozostawały aktywne przez setki albo i tysiące pokoleń pozostając w skończonym układzie wzorów, wśród których można wyróżnić tzw. szybowce, oczy, bramki logiczne czy pamięci binarne. Tak więc przechodzimy od prostoty początkowej formy i prostych reguł do wysokiej złożoności otrzymywanych w ten sposób wyników.

Rysunek 1. Przykładowy układ w Grze w Życie: produkcja „szybowców”

Kluczowe pytanie jakie sie nasuwa dotyczy warunków, jakie musi spełnić komputerowy organizm, aby mógł zostać uznany za żywy. W książce Ellen Thro „Sztuczne życie. Zestaw narzędzi badacza” (1994), autorka podaje, że według twórców i badaczy sztucznego życia żywy jest ten, który:

• Istnieje w przestrzeni i w czasie.
• Rozmnaża się.
• Przechowuje informację o samym sobie.
• Ma metabolizm – może przetwarzać materię na energię.
• Oddziałuje z otoczeniem.
• Składa się z niezależnych części.
• Wykazuje stabilność przy zmiennych warunkach środowiska.
• Ewoluuje.
• Rośnie lub rozszerza się.

Jeśli więc sztucznie stworzony organizm będzie spełniał te kryteria, to będzie go można uznać za żywy. Istotne jest również, że wszystkie te fakty są ze sobą w mniejszy lub większy sposób powiązane, co daje nam jeden spójny obraz całości. Codzienne zachowania żywych organizmów ograniczają się do: szukania pożywienia, oddziaływania ze środowiskiem i podobnymi organizmami, porozumiewania się, współpracy i współzawodnictwa, uczenia się. Wszystkie te działania są przedmiotem badań sztucznego życia.

Kolejnym przykładem zastosowania mechanizmów ewolucji są biomorfy brytyjskiego zoologa Richarda Dawkinsa, które opisał w swojej książce „Ślepy zegarmistrz”. Nazwa biomorfy została utworzona przez Desmonda Morrisa dla nieokreślonych zwierzęcopodobnych kształtów w jego surrealistycznych obrazach. Te graficzne kształty odpowiadające genom zostały wykreowane przez Dawkinsa w celu badania ewolucji form. Zastosował on proste operacje genetyki (rekombinacja i mutacja), które umożliwiły zmianę prostych kształtów z pokolenia na pokolenie. Do owej genetyki dodał swój własny wybór jego zdaniem najprzyjemniejszych dla oka lub najbardziej interesujących kształtów do dalszego rozmnażania. Bardzo szybko z prostych kształtów, początkowych opartych na drzewach zaczęły powstawać skomplikowane formy przypominające swoim wyglądem różnorakie owady, insekty, człowieka w czapce, a nawet księżycowy lądownik. Po zaprezentowaniu wyników swoich badań nad biomorfami wiele osób zaczęło się nimi interesować i tworzyć własne modele na nich oparte.

Rysunek 2. Przykładowe biomorfy

Rysunek 3. Biomorfy: Ptak i mucha

Wszystkie istoty – automaty o złożonych regułach – w sztucznym życiu przejawiające pewne zachowania prawdziwych zwierząt nazywane są animkami (ang. animats). Stewart Wilson pierwszy użył tego określenia, nazywając tak swoje wyewoluowane na komputerze poszukujące pożywienia automaty w kształcie kwadratów. Usiłował on zrozumieć podstawowe reguły uczenia się istot żywych prowadzące do lepszego dostosowania się do otoczenia i wymuszające odpowiednie zachowanie. W swoich badaniach wykorzystał systemy klasyfikujące w podobny sposób, w jaki wykorzystał je John Holland w swojej komputerowej żabie. Żaba ta to indywiduum mogące określić jej stosunek do pojawiającego się w jej otoczeniu obcego obiektu. Na podstawie odpowiednich właściwości obiektu jak wielkość, położenie i odległość może podjąć albo atak, albo ucieczkę. Działanie systemu klasyfikującego pomaga jej odpowiedzieć na pytanie jak się zachować w jakiej sytuacji. Jeżeli obiekt jest duży i jest blisko to należy założyć, że jest wrogiem, a jeśli mały, lata i do tego blisko, to należy założyć, że jest pożywieniem. W pozostałych przypadkach żaba może nie reagować na ten obiekt.

W ten sposób Wilson zaprogramował swojego pierwszego animka, którego głównym celem było znajdowanie pożywienia. Aby to osiągnąć posiadał on trzy podstawowe zmysły: wzrok, węch i smak oraz możliwość odczuwania bólu i przyjemności. Nowo stworzony animek po pewnym czasie wykorzystując swoje możliwości nauczył się odnajdować szybko jedzenie w swoim środowisku – znacznie szybciej niż tuż po stworzeniu. Wyglądało to tak, że analizował otoczenie, sprawdzał swoje reguły i albo podejmował działanie na ich podstawie albo dodawał sobie nową regułę, gdy spotkał się z czymś nowym. W czasie swojego istnienia pewne reguły można było uogólnić, a inne usunąć, gdy się nie sprawdzały. W ten sposób utworzył sobie na własne potrzeby 8 podstawowych reguł i był w stanie za każdym razem sprawnie odnaleźć pożywienie.

O szybującym stadzie ptaków, które znakomicie potrafi omijać wszelkie przeszkody oraz o urzekających obrazach wirtualnego malarza, juz wkrótce w kolejnej części opowieści ze świata sztucznych organizmów.

© Arleta Piwowarczyk 2002