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TALENTED TEAM


图:pixabay

原文来源:arXiv

作者:Joel Lehman、Jeff Clune、Dusan Misevic、Christoph Adami、Julie Beaulieu、Peter J Bentley、Samuel Bernard、Guillaume Beslon、David M Bryson、Nick Cheney、Antoine Cully、Stephane Doncieux、Fred C Dyer、Kai Olav Ellefsen、Robert Feldt、Stephan Fischer、Stephanie Forrest、Antoine Fr´enoy、Christian Gagn´e、Leni Le Goff、Laura M Grabowski、Babak Hodjat、Laurent Keller、Carole Knibbe、Peter Krcah、Richard E Lenski、Hod Lipson、Robert MacCurdy、Carlos Maestre、Risto Miikkulainen、Sara Mitri、David E Moriarty、Jean-Baptiste Mouret、Anh Nguyen、Charles Ofria、Marc Parizeau、David Parsons、Robert T Pennock、William F Punch、Thomas S Ray、Marc Schoenauer、Eric Schulte、Karl Sims、Kenneth O Stanley、Fran¸cois Taddei、Danesh Tarapore、Simon Thibault、Westley Weimer、Richard Watson、Jason Yosinski

「雷克世界」编译:嗯~阿童木呀、KABUDA

可以这样说,在自然界中,进化为复杂而微妙的适应性提供了一个有创造性的源泉,常常让发现它们的科学家感到惊讶。然而,进化的创造性并不局限于自然界——在计算机环境中进化的人工有机体也引起了研究人员的惊讶和好奇。进化过程是一种超越了其发生的基质的算法过程。事实上,数字进化领域的许多研究人员可以举例说明他们的进化算法和有机体是如何创造性地颠覆了他们的预期和意图,暴露了他们代码中未被识别出的漏洞,产生了意想不到的适应性,或者与自然界中所发现的行为和结果进行不寻常地相融合。这种故事通常在数字世界里通过进化揭示出惊奇和创造性,但是它们很少符合标准的科学叙述。相反,它们通常仅仅被当作是需要克服的障碍,而不是凭自己的权利进行研究的结果。漏洞是固定的,实验被重新聚焦了,一次意外性事件则崩溃成了一个单独的数据点。这些故事本身是通过口口相传在研究人员间进行交换的。但是这种信息传播的模式是低效的,并且容易出现错误和彻底损失。此外,这些故事往往仅在从业者间分享。这意味着很多自然科学家没有意识到数字有机体有多么有趣和逼真,以及它们的进化有多么自然。据我们所知,以前没有发表过这样的逸闻趣事集合。本文是人工生命和进化计算领域研究人员的合力之作,他们提供了有关这些案例的第一手资料。因此,它是一个书面的、进行了事实核查的集合,囊括了在科学上重要,甚至有趣的故事集合。在此过程中,我们也提供了大量的证据证明,进化的存在和重要性早已超越了自然界,并且甚至可能是所有复杂进化系统的普遍属性。

进化为生命挑战提供了无数个有关创造性、神奇性和复杂性解决方案的例子。步入,有些花可以作为声学信标以吸引回声定位蝙蝠、极端微生物修复它们的DNA以便能够在存有极端辐射的环境下茁壮成长、射炮步甲虫(bombardier beetles)使用具有爆炸性的化学反应击退掠食者、寄生虫重新对宿主大脑进行编程,为了自身利益而诱导其自杀,诸如此类的例子比比皆是,涵盖了整个生物系统。而即使经验丰富的野外生物学家仍然对他们所发现的新适应性感到惊讶。

利用潜在的能量进行撑杆跳。进化发现,生成一个能够进行翻转和倒置的生物要比制造一个能够进行积极跳跃的机制简单得多

因此,可以说,生物进化的过程是极其具有创造性的,至少从某种意义上说,对于它所产生的那种惊人的和复杂的解决方案,如果是由人类产生的话就会被认为具有创造性的。但是,进化的创造性不一定要受制于有机世界。独立于其自身的物理介质,在任何复制、变异和选择相交的地方都可能发生进化。因此,进化可以作为一个计算机程序以数字形式进行实例化,可以通过实验研究进行进化或通过定向数字育种解决工程难题。与生物进化相类似,数字进化实验经常产生一些奇怪的、令人惊讶的和具有创造性的结果。事实上,进化常常揭示出,研究人员实际上所要求的东西与他们所自认为想要的东西是完全不同的,而与那些以一种意想不到的方式满足请求中字母的故事并没有太大的不同。有时候,进化揭示了代码中隐藏的错误,或者显示出与生物学的惊人融合。而其他时候,进化会通过提供聪明的解决方案而让调查人员感到惊喜,因为他们没有考虑或者并不认为这些是不可能的。

强制抓取轨迹的快照

尽管已经公布了一些令人意想不到的结果,但大多数都还未公布,而且过去未曾被一起公布过,而现如今,它们都汇集在一起了。传播的一个障碍是,诸如这样无法预料的进化结果往往导致进化阻碍了研究人员的意图:通过利用代码中存在的缺陷、通过优化无趣的特征或通过未能回答预期的研究问题等方式。也就是说,这种行为往往被看做是一件令人沮丧的事情,而非是有趣的科学现象。此外,惊奇是主观的,因此与科学出版物期望的客观语言和叙述不相符合。因此,大多数轶事只是通过口头传播,在研究小组、会议中提供笑声和讨论,并在会谈中作为幽默的慰藉。但这种沟通并不能以一种持久和稳定的方式为整个领域提供信息。

重要的是,这些关于数字进化的故事,“超越”数字进化研究员所提供的的,它们不仅仅是谦逊的练习,还为从业者提供了极具建设性的知识见解与洞察力,因为它们展示了这些障碍的普遍性,以及在必要时如何克服这些障碍。此外,这些案例还表明,强大的数字进化模型不会盲目地反映出其创造者的意愿与偏见,相反,它们有足够的深度以产生意想不到的结果与新的见解。同时,进化生物学及植物育种研究者可能会对这些案例感兴趣,因为它们与生物进化的创造性具有令人信服的相似之处。

基于这些原因,本文强调了算法进化中包含的惊奇性和创造性,旨在记录、整理、传播那些迄今为止通过口头方式(这种方式很容易出错并彻底丧失)传承下来的信息。

当使用数字进化解决实际问题时,最常见的方法是让实验者选择一个能够反映搜索目标的适应度函数。这种适应度函数往往是简单的定量测量,似乎能够直观地捕捉成功结果的关键特征所在。可以说,这些措施是进化算法(evolutionary algorithm,EA)的关键,因为它们作为渠道以引导搜索的进行:育种(Breeding)偏向于具有较高拟合度分数的个体,希望它们能够进一步提升其拟合度,最终达到最终的预期效果。

利用潜在的能量来运动。进化发现,设计一个能够进行高度运行的高大生物要比发现积极运动策略简单得多。左边的图显示了试验开始时的生物,右边的图显示了随着时间的推移,该物体会不断下降并进行翻转以保持前进

通过一系列事例,我们回顾了数字进化带来的许多惊人的和富有创造性的解决问题的方法。这些事例的多样性和丰富性表明,数字进化中的惊喜是普遍存在的,并非是罕见的。这些轶事的普遍存在意味着创造力不仅局限于自然界的进化,而是所有进化过程的普遍特性。

因此,这些轶事可以作为证据,证明进化(无论是生物进化还是计算计划)具有内在的创造性,并值得期待它为我们带来惊奇、喜悦与超越。

原文链接:https://arxiv.org/pdf/1803.03453.pdf

来源:搜狐                                      时间:2018-03-13

说到生命和进化,我们想到的一定是动物、植物,或细菌、病毒。但有谁能想到,枯燥的数字也一样具有生命,也能复制、进化呢?数字进化的发现者、美国加州大学计算机系教授克吉斯• 阿加米说,数字是没有DNA 的生命,是动物、植物和微生物之外的第四种生命体,别看它们是些无声又无形的家伙,可在复制进化过程中表现出来的神奇本领,实在令人瞠目结舌。

》计算机中的“生命气息”

进化是逐渐适应与慢慢演变的过程。生物的进化遵循的规律是用进废退,力求在利于自己繁衍与生存的环境中不断地完善自己。

早在1 4 0多年前,当欧洲的博物学家赞美上帝为取悦人类而创造了无数鲜艳的花卉时,达尔文便尖锐地指出,花卉是为了吸引传授花粉的昆虫才进化得五彩缤纷,那完全是它们传宗接代的本能使然,与取悦人类毫无关系。

那么在计算机的世界里,数字也会有进化吗?

克吉斯· 阿加米是美国加州大学计算机系的教授,1 0多年前,他想让计算机程序在特定的环境中进化出额外的本领。于是,他制造了一些低级的“数字生物”,并定期给它们输入数字。正是这个不经意的做法,使他发现了神奇的数字生命。

开始,这些数字傻乎乎的,没有任何反应,但引人注意的是,它们每复制一次,指令链上的某个指令就有一次产生突变的机会。这些突变会使“数字生物体”以同样简单的方式加工其中的某个数字,比如某个“数字生物体”可能会生成阅读某个数字和产生相同数字的能力。这说明“数字生物”具有智能进化的本领。

后来阿加米设计制作了一套名叫“阿威塔”的程序,专门展示“数字生物”的演化过程。再后来,阿加米的研究小组不断壮大,除了计算机专业人士外,还有微生物学和哲学等不同领域的知名学者。密歇根大学专门从事细菌进化研究的微生物学家理查德· 伦斯奇说:“这是前所未有的发现!在这个静谧的世界里,明显有生命的气息。它有待揭示的规律对我们认识世界一定具有无法比拟的重要价值。”

》“数字生物”也在“进化”

在很多时候,自然界中的进化是不以人的意志为转移的, 有的时间漫长,有的时间短促,谁也挡不住繁衍和生存的力量。微生物的进化也很有趣,1 0 0多年前,青霉素刚刚问世之时,它对病菌引起的炎症可谓药到病除。可病菌微生物通过不断的进化变异,逐步具备了抵抗青霉素的功能。

科学家发现,这个规律在“数字生物”的进化中依然适用,计算机病毒也是靠进化变异不断增强自己的杀伤力。可以毫不夸张地说,进化变异不仅是所有生物的制胜法宝,还蕴含着庞大深奥的未知道理。“数字生物”在其进化变异中表现出的超强智慧充分证明了这一点。

“数字生物”的进化与计算机病毒一样,是靠一系列的命令来实现的。它们由二进制数字构成,能以和DNA突变相同的方式产生突变,每一个“生物”都能在几秒之内复制出好几万个。借助“阿威塔”软件,我们可以在显示器上看到潮水般涌现的一组组数字,清楚地观察它们从生到死的生命过程。

经过1 0多年的发展,“阿威塔数字生物”差不多已是真正意义上的生物了。克吉斯·阿加米说:“这些小东西的进化速度惊人,具备的本领越来越多。最让人兴奋不已的是,它们所走的路线与进化论的路线不谋而合,几乎完全重叠了。它们复制、突变、竞争,自然选择的环节一个都不少。总之,几乎与自然界的生物进化规则毫无二致,只是速度奇快,有时简直让人应接不暇。”

理查德· 伦斯奇是遗传进化学家,专门研究细菌的进化规律,他从大肠杆菌的后代身上发现了1 2个不同的菌落。这一发现为生物的最新进化方式提供了理论支持。但是,他的研究花费了1 7年——因为这些菌落在不同的实验条件下经历了3 0 0 0 0多代的进化变异。只有这样,伦斯奇才能有充足的证据证明遗传变异究竟是如何发生的。

如今,借助“阿威塔”程序,这一实验的进程大大缩短了。伦斯奇为菌落建立了数字进化模式,不仅实验条件可以随意改变,还能自动记录下每个生物的每次突变。现在,他在1小时收集到的信息比在真的细菌身上收集1年得到的还要多。

》深层次验证达尔文的进化论

“数字生物”的存在第一次使我们脱离考古领域来验证达尔文的进化论。以往,进化生物学家只能靠大量的化石进行研究推论,虽然碳1 4测年法等科学手段使考古学成绩斐然,但科学家怎么也不可能看到每一代以及每一个基因的进化过程,比如现今的海豚究竟是由哪一种陆地生物演变而来的,其间的几个重要的进化过程又是怎样的。

“阿威塔”的“数字生物”却为我们提供了观察几百万代“数字生物”随机突变和自然选择的可能。它们的进化过程为科学家回答某些重大进化问题提供了有价值的参考。

这组图片描绘了两种数字有机体对资源的竞争。物种A ( 绿色) 的复制速度是物种B ( 蓝色) 的2 倍, 但物种B 更健壮。第一组演示的是每一代0 . 5 突变的突变速率, 快速复制的物种容易赢得胜利;第二组演示的是每一代1 . 5 突变的突变速率, 更强大的物种获胜。

“数字生物”的进化实验不仅生动证明了“复杂系统来自简单的祖先,不同的进化渠道能产生相同的复杂器官”的进化论观点,还有两项实验与自然界生物的进化惊人的相似,比如能量过剩可能导致生命凋零。森林中的植物吸收阳光的多寡是有区别的,正因为如此,才有森林植物的丰富多彩。有人做过实验,给林地中不同的植物赋予一样的光照。开始时它们都长势旺盛,但不久便会逐渐凋零,最终只有几种植物能够生存下来。在一定意义上,获得阳光的差异性就是自然选择的结果。

“数字生物”的成长过程同样受这一规律的制约。研究人员无限制地给它们提供食物——也就是数字。开始时,它们也像饥饿的人获得食物一样很兴奋,大吃特吃,并且生长极快。可是不久它们就会慢慢死去,只剩下少得可怜的几个“生物”在那里苟延残喘。相反,如果让它们有节制地进食,吃的量也各不相同,它们就像自然界的物种一样,进化出不同的种类。“数字生物”“消化”数字的速度一旦过快,它们的正常生长便会受到影响,如果有太多“生物”去争抢某一个数字食物,它们的生长功能就会丧失。

对“数字生物”的观察研究尚处于起步阶段,个中奥秘,就连研究者也不能给出准确的答案。参与研究的科学家相信,数字生命与地球生命的共有模式等一系列进化巧合绝非偶然,一定是某种规律在起作用,或者说是有某种奥秘等待我们去揭示。

来源:搜狐                                 时间:2017-12-21

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