2009-8-20 1
人工生命
12.1 引言
12.2 研究人工生命的原因
12.3 人工生命的探索
12.4 人工生命模型
12.5 人工生命的研究方法和战略
12.6 计算机生命
12.7 细胞自动机
12.8 形态形成理论
12.9 群体智能
2009-8-20 2
人工生命定义 1
研究具有自然生命系统行为的人造系统。
2009-8-20 3
人工生命定义 2
人工生命是研究怎样通过抽取生物现象中的基本动力规则来理解生命，并且在物理媒体如计算机上重建这些现象，使它们成为一种新的实验方式和受操纵。
2009-8-20 4
人工生命定义 3
在人工生命中的所有存在或将会存在的事物中，我们至少可以说这一领域从总体来说，代表了一种尝试，就是加重了生物学中合成理论的分量。
2009-8-20 5
人工生命定义 4
人工生命模型有足够强大的功能来获取复杂系统中更多的认知。这种方式较之自然系统更容易被操纵、重复和精确控制实验
。
2009-8-20 6
人工生命人工生命是指用计算机和精密机械等生成或构造表现自然生命系统行为特点的仿真系统或模型系统。自然生命系统的行为特点表现为自组织、自修复、
自复制的基本性质，以及形成这些性质的混沌动力学、环境适应和进化。
2009-8-20 7
人工生命简单地说，人工生命研究有 2方面：如何用计算机帮助生物学和如何用生物学帮助计算机。
可以说人工生命是一门相对新兴的混合了计算技术和生物学的高级学科。从程序员的角度上说：是运用人工智能技术作为指导，开发软件模型，模拟当今最聪明的计算机系统，以观察它的行为是否能象人类一样表现出自我学习和适应环境。对于某些人来说，是试图用计算机来模拟生物学。
2009-8-20 8
相关会议
7th International Conference on Artificial Life （ The
Seventh International Conference on the Simulation and
Synthesis of Living Systems ） Reed College,Portland,
Oregon,USA,1-6 August 2000
"Looking Backward,Looking Forward"
6th International Conference on Artificial Life
4th International Conference on Artificial Life
3rd International Conference on Artificial Life
2nd International Conference on Artificial Life
1st International Conference on Artificial Life,1987
2009-8-20 9
相关刊物
Artificial Life (MIT Press)
Adaptive Behavior (MIT Press)
Artificial Life and Robotics (Springer Verlag)
Advances in Complex Systems (formerly Journal of Complex
Systems) (Editions Hermes)
Biological Cybernetics (Springer Verlag)
Complexity (Wiley)
Cybernetics & Systems Analysis (Plenum)
Evolution (Society for the Study of Evolution)
Evolution of Communication (John Benjamins Publishing Co.)
Evolutionary Computation (MIT Press)
2009-8-20 10
相关刊物
IEEE Transactions on Evolutionary Computation (IEEE)
IEEE Transcations on Fuzzy Systems (IEEE)
IEEE Transactions on Neural Networks (IEEE)
IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics B,
Cybernetics (IEEE)
Journal of Complexity (Academic Press)
Journal of Social and Evolutionary Systems (JAI)
Journal of Theoretical Biology (Academic)
Kybernetes (MCB)
Open Systems & Information Dynamics (Kluwer)
2009-8-20 11
研究人工生命的原因人工生命将会成为研究生物的一个特别有用的工具。
人工生命的研究可使我们更好地理解突发特征，个体在低级组织中的集合，通过我们的相互作用，常可产生特征。
2009-8-20 12
人工生命的探索
40年代末,50年代初,冯,诺伊曼提出了机器自增长的可能性理论 。 以计算机为工具,迎来了信息科学的发展 。 1956年在达特默斯的夏季讨论会上,麦卡锡提出人工智能这一术语 。
正式形成人工智能学科的研究 。 人工生命许多早期的工作也源于人工智能 。 60年代,罗森勃拉特 (Rosenblatt)研究感知机,
斯塔勒 (Stahl)建立了一些细胞活动的模型,他把图灵机用作
,算法酶,,将生化表示成字符串 。 60年代后期,林登麦伊尔
(Lindenmayer)提出了生长发展中的细胞交互作用的数学模型
,现在称为 L-系统 。 这些相当简单的模型,可以明显地显示复杂的发展历史,支持细胞间的通信和差异 。
2009-8-20 13
人工生命的探索
70年代以来,科拉德 (Conrad)和他的同事研究人工仿生系统中的自适应,进化和群体动力学,提出了不断完善的,人工世界,模型 。 后来侧重研究系统突发性的个体适应性 。 乔姆斯基 (Chomsky)的形式语言理论应用在程序设计语言的规范说明和开发编译程序 。 细胞自动机应用于图象处理 。 科伟 (Conway)提出生命的细胞自动机对策论 。 在这种理论中,如果一个细胞周围的 8个细胞中有 3个细胞正好是通,那么该细胞开通,若周围细胞有 2个或 3个通,那么它就保持通
,否则它就关断 。 这样的细胞自动机系统已被广泛试验 。
2009-8-20 14
人工生命模型计算 机病毒计算机的进程生物统计学和个体胎生学机器人自催化 (autocatalytic)网络细胞自动机人工核苷酸
2009-8-20 15
人工生命的研究内容
(1) 构成生物体的内部系统,包括脑,
神经系统,内分泌系统,免疫系统,遗传系统,酶系统,代谢系统等 。
(2) 在生物体及其群体中表现的外部系统 。 生物群体中环境适应系统和遗传进化系统等 。
2009-8-20 16
人工生命的研究方法
(1) 模型法 。
根据内部和外部系统所表现的生命行为
,建造信息模型 。
(2) 工作原理法 。
生命行为所显示的自律分散和非线性的行为,它的工作原理是混沌和分形,
据此研究它的机理 。
2009-8-20 17
人工生命的研究策略
(1) 采用以计算机等信息处理机器为中心的硬件生成生命行为 。 一般有两种方法：一种是采用已有的信息处理机器和执行装置,实现具有人工生命行为的系统 。 另一种是用生物器件构造生命系统 。 这些都通称为生物计算机,是一种向人工生命接近的方法 。
(2) 用计算机仿真,研究开发显示生命体特征行为的模型软件 。 简单地说,神经网络系统和遗传算法等,都是采用信息数学模型,模拟人工生命的生成 。
(3) 基于工作原理,利用计算机仿真生成生命体 。 生命现象的基础是随物理熵的增大而杂乱无章 。 生成这种现象的原理是混沌的分形,耗散结构,协同反应等,采用这些产生生命现象 。
(4) 通过计算机仿真,分析生命特有的行为生成,建立新的理论 。 利用上面 3
个策略,得到生命行为共同的一般性质,通过概括,建立生命的基本理论 。 这种策略形成自组织,超并行处理等理论 。
2009-8-20 18
计算机生命冯,诺伊曼研究与构造结构有关的自繁殖
,他发现可以采用两种不同的方式进行机体的遗传描述：
(1) 解释指令而构造子孙,
(2) 不解释数据而只是把它复制到创建的描述副本,然后传给它的子孙 。
2009-8-20 19
计算机生命
(1) 生命体的复杂性和组织；
(2) 构成它们的分子的化学结构唯一性；
(3) 单个生命体的唯一性及变异；
(4) 拥有遗传程序,最终形成遗传表现型；
(5) 通过自然选择形成；
(6) 行为的明显不确定性 。
以上的确有助于理解是什么使得生命体是唯一的 。
关键问题是自繁殖,它是大多数天然生成的有机体的最重要的特征,同时也是区分生命体与非生命体的最重要特征 。
2009-8-20 20
细胞自动机细胞自动机 (CA)是另一种对结构递归应用简单规则组的例子 。 在细胞自动机中,被改变的结构是整个有限自动机格阵 。 在这种情况下,局部规则组是传递函数,在格阵中的每个自动机是同构的 。 所考虑修改的局部上下文是当时邻近的自动机的状态 。
自动机的传递函数构造一种简单的,离散的空间 /时间范围的局部物理成分 。 要修改的范围里采用局部物理成分对其结构的,细胞,重复修改 。 这样,尽管物理结构本身每次并不发展,但是状态在变化 。
2009-8-20 21
细胞自动机元胞自动机 —产生和发展,四个阶段,
1940s 诞生,Von Neumann 自我复制机,
1960-70s起步,JH.Conway 生命游戏,
1980s 理论研究,S.Wolfram CA分类,
1980-90s 应用,HPP-FHP格子气自动机,
C.Langton N.Packard 人工生命
2009-8-20 22
细胞自动机下面我们讨论二维空间中的细胞自动机的生长。记 V
为细胞状态集,V中有一元素 v0为静止状态,定义 f是
V*V*…*V? V的函数,
且满足
f(v0,v0,…,v0)=v0,
则 (V,v0,f)称为是 m 个邻居的细胞自动机,f 称为该细胞自动机的变换函数。
2009-8-20 23
细胞自动机
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
1 1 0 s 1 1? 1 1 1 0 s 1
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2009-8-20 24
变换规则表
f(1,s,2,1,2)=s
上表中函数 f 的第一个自变量为中心细胞的状态，接着的 4 个自变量是 4 个邻居的状态顺时针方向旋转,以便产生新的符号
2009-8-20 25
形态形成理论规则采用上下文无关,即在特定部分改变时不考虑上下文中的关系 。 例如一组规则：
(1) A? CB
(2) B? A
(3) C? DA
(4) D? C
2009-8-20 26
形态形成理论次数 结构 应用规则
0 A 初始种子
1 C B 规则 1,CB 代替 A
2 D A A 规则 3,DA代替 C;
规则 2,A代替 B
3 C C B C B 规则 4,C代替 D;
规则 1用两次,CB
代替 A
4 … 继续进行
2009-8-20 27
形态形成理论次数 结构 应用规则
0 A 开始种子
1 C[B]D 规则 1.
2 C[A]C(E)A 规则 3,2,4.
3 C[C[B]D]C(D)C[B]D 规则 3,1,3,5,1.
4 C[C[A]C(E)A]C(C(E)A)C(E)A 规则 3,
3,2,4,3,4,3,2,3.
2009-8-20 28
形态形成理论次数 结构 应用规则
0 A 开始种子
1 C[B]D 规则 1.
2 C[A]C(E)A 规则 3,2,4.
3 C[C[B]D]C(D)C[B]D 规则 3,1,3,5,1.
4 C[C[A]C(E)A]C(C(E)A)C(E)A 规则 3,
3,2,4,3,4,3,2,3.
2009-8-20 29
混沌理论从系统角度来看生命的行为,首先在物理上可以定义为非线性
,非平衡的开放系统 。 所以,这种系统特殊行为是自然振荡,即有限周期和混沌 。 这些生命特有的行为是本体主义和高级信息处理所关注的,人工生命中,它的生成原理是主要的 。 有限周期可以分为稳定的和不稳定的 。 把自然振荡称为稳定的有限周期 。 这种稳定的有限周期邻近的位相面轨道渐近闭轨道 。 有限振荡和混沌是结构稳定的两个方面 。 它们的差别仅仅在于有限周期的初始条件的差对于以后运动影响很大 。 在混沌中,初始条件的差随着时间很快扩大,
近似再现是困难的 。 这种性质称为轨道不稳定性,这和基于有限周期的轨道稳定性的有序化形成明显对照 。 自然界中动力学分为有序和混沌 。 有序的规则行为是周期解 。 其它混沌系统是复杂的,长期不能预测的行为 。 两者从时间发展上基本上是动力学系统 。 所以,
生命体是混沌和有序的复合 。
2009-8-20 30
混沌理论生命行为所提取的特征现象的发生原理的有序和混沌的计算能力怎样呢 。 首先,有序系统具有在它的周期上的复杂性,高度的复杂计算是不可能的 。 混沌系统必须有严格的规定,从理论上计算它的轨道的不稳定性行为是困难的,因此,仅考虑在混沌的边界所看到的生命行为 。 这样,信息的存储,传送,变换之类的基本操作可以通过有序和混沌的混合系统实现：
(1) 信息存储是从有序系统所看到的稳定周期动力学获得 。
(2) 信息的传送和变换可以从混沌系统不稳定动力学实现 。
2009-8-20 31
群体智能
2009-8-20 32
谢谢 !
THANK
YOU
人工生命
12.1 引言
12.2 研究人工生命的原因
12.3 人工生命的探索
12.4 人工生命模型
12.5 人工生命的研究方法和战略
12.6 计算机生命
12.7 细胞自动机
12.8 形态形成理论
12.9 群体智能
2009-8-20 2
人工生命定义 1
研究具有自然生命系统行为的人造系统。
2009-8-20 3
人工生命定义 2
人工生命是研究怎样通过抽取生物现象中的基本动力规则来理解生命，并且在物理媒体如计算机上重建这些现象，使它们成为一种新的实验方式和受操纵。
2009-8-20 4
人工生命定义 3
在人工生命中的所有存在或将会存在的事物中，我们至少可以说这一领域从总体来说，代表了一种尝试，就是加重了生物学中合成理论的分量。
2009-8-20 5
人工生命定义 4
人工生命模型有足够强大的功能来获取复杂系统中更多的认知。这种方式较之自然系统更容易被操纵、重复和精确控制实验
。
2009-8-20 6
人工生命人工生命是指用计算机和精密机械等生成或构造表现自然生命系统行为特点的仿真系统或模型系统。自然生命系统的行为特点表现为自组织、自修复、
自复制的基本性质，以及形成这些性质的混沌动力学、环境适应和进化。
2009-8-20 7
人工生命简单地说，人工生命研究有 2方面：如何用计算机帮助生物学和如何用生物学帮助计算机。
可以说人工生命是一门相对新兴的混合了计算技术和生物学的高级学科。从程序员的角度上说：是运用人工智能技术作为指导，开发软件模型，模拟当今最聪明的计算机系统，以观察它的行为是否能象人类一样表现出自我学习和适应环境。对于某些人来说，是试图用计算机来模拟生物学。
2009-8-20 8
相关会议
7th International Conference on Artificial Life （ The
Seventh International Conference on the Simulation and
Synthesis of Living Systems ） Reed College,Portland,
Oregon,USA,1-6 August 2000
"Looking Backward,Looking Forward"
6th International Conference on Artificial Life
4th International Conference on Artificial Life
3rd International Conference on Artificial Life
2nd International Conference on Artificial Life
1st International Conference on Artificial Life,1987
2009-8-20 9
相关刊物
Artificial Life (MIT Press)
Adaptive Behavior (MIT Press)
Artificial Life and Robotics (Springer Verlag)
Advances in Complex Systems (formerly Journal of Complex
Systems) (Editions Hermes)
Biological Cybernetics (Springer Verlag)
Complexity (Wiley)
Cybernetics & Systems Analysis (Plenum)
Evolution (Society for the Study of Evolution)
Evolution of Communication (John Benjamins Publishing Co.)
Evolutionary Computation (MIT Press)
2009-8-20 10
相关刊物
IEEE Transactions on Evolutionary Computation (IEEE)
IEEE Transcations on Fuzzy Systems (IEEE)
IEEE Transactions on Neural Networks (IEEE)
IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics B,
Cybernetics (IEEE)
Journal of Complexity (Academic Press)
Journal of Social and Evolutionary Systems (JAI)
Journal of Theoretical Biology (Academic)
Kybernetes (MCB)
Open Systems & Information Dynamics (Kluwer)
2009-8-20 11
研究人工生命的原因人工生命将会成为研究生物的一个特别有用的工具。
人工生命的研究可使我们更好地理解突发特征，个体在低级组织中的集合，通过我们的相互作用，常可产生特征。
2009-8-20 12
人工生命的探索
40年代末,50年代初,冯,诺伊曼提出了机器自增长的可能性理论 。 以计算机为工具,迎来了信息科学的发展 。 1956年在达特默斯的夏季讨论会上,麦卡锡提出人工智能这一术语 。
正式形成人工智能学科的研究 。 人工生命许多早期的工作也源于人工智能 。 60年代,罗森勃拉特 (Rosenblatt)研究感知机,
斯塔勒 (Stahl)建立了一些细胞活动的模型,他把图灵机用作
,算法酶,,将生化表示成字符串 。 60年代后期,林登麦伊尔
(Lindenmayer)提出了生长发展中的细胞交互作用的数学模型
,现在称为 L-系统 。 这些相当简单的模型,可以明显地显示复杂的发展历史,支持细胞间的通信和差异 。
2009-8-20 13
人工生命的探索
70年代以来,科拉德 (Conrad)和他的同事研究人工仿生系统中的自适应,进化和群体动力学,提出了不断完善的,人工世界,模型 。 后来侧重研究系统突发性的个体适应性 。 乔姆斯基 (Chomsky)的形式语言理论应用在程序设计语言的规范说明和开发编译程序 。 细胞自动机应用于图象处理 。 科伟 (Conway)提出生命的细胞自动机对策论 。 在这种理论中,如果一个细胞周围的 8个细胞中有 3个细胞正好是通,那么该细胞开通,若周围细胞有 2个或 3个通,那么它就保持通
,否则它就关断 。 这样的细胞自动机系统已被广泛试验 。
2009-8-20 14
人工生命模型计算 机病毒计算机的进程生物统计学和个体胎生学机器人自催化 (autocatalytic)网络细胞自动机人工核苷酸
2009-8-20 15
人工生命的研究内容
(1) 构成生物体的内部系统,包括脑,
神经系统,内分泌系统,免疫系统,遗传系统,酶系统,代谢系统等 。
(2) 在生物体及其群体中表现的外部系统 。 生物群体中环境适应系统和遗传进化系统等 。
2009-8-20 16
人工生命的研究方法
(1) 模型法 。
根据内部和外部系统所表现的生命行为
,建造信息模型 。
(2) 工作原理法 。
生命行为所显示的自律分散和非线性的行为,它的工作原理是混沌和分形,
据此研究它的机理 。
2009-8-20 17
人工生命的研究策略
(1) 采用以计算机等信息处理机器为中心的硬件生成生命行为 。 一般有两种方法：一种是采用已有的信息处理机器和执行装置,实现具有人工生命行为的系统 。 另一种是用生物器件构造生命系统 。 这些都通称为生物计算机,是一种向人工生命接近的方法 。
(2) 用计算机仿真,研究开发显示生命体特征行为的模型软件 。 简单地说,神经网络系统和遗传算法等,都是采用信息数学模型,模拟人工生命的生成 。
(3) 基于工作原理,利用计算机仿真生成生命体 。 生命现象的基础是随物理熵的增大而杂乱无章 。 生成这种现象的原理是混沌的分形,耗散结构,协同反应等,采用这些产生生命现象 。
(4) 通过计算机仿真,分析生命特有的行为生成,建立新的理论 。 利用上面 3
个策略,得到生命行为共同的一般性质,通过概括,建立生命的基本理论 。 这种策略形成自组织,超并行处理等理论 。
2009-8-20 18
计算机生命冯,诺伊曼研究与构造结构有关的自繁殖
,他发现可以采用两种不同的方式进行机体的遗传描述：
(1) 解释指令而构造子孙,
(2) 不解释数据而只是把它复制到创建的描述副本,然后传给它的子孙 。
2009-8-20 19
计算机生命
(1) 生命体的复杂性和组织；
(2) 构成它们的分子的化学结构唯一性；
(3) 单个生命体的唯一性及变异；
(4) 拥有遗传程序,最终形成遗传表现型；
(5) 通过自然选择形成；
(6) 行为的明显不确定性 。
以上的确有助于理解是什么使得生命体是唯一的 。
关键问题是自繁殖,它是大多数天然生成的有机体的最重要的特征,同时也是区分生命体与非生命体的最重要特征 。
2009-8-20 20
细胞自动机细胞自动机 (CA)是另一种对结构递归应用简单规则组的例子 。 在细胞自动机中,被改变的结构是整个有限自动机格阵 。 在这种情况下,局部规则组是传递函数,在格阵中的每个自动机是同构的 。 所考虑修改的局部上下文是当时邻近的自动机的状态 。
自动机的传递函数构造一种简单的,离散的空间 /时间范围的局部物理成分 。 要修改的范围里采用局部物理成分对其结构的,细胞,重复修改 。 这样,尽管物理结构本身每次并不发展,但是状态在变化 。
2009-8-20 21
细胞自动机元胞自动机 —产生和发展,四个阶段,
1940s 诞生,Von Neumann 自我复制机,
1960-70s起步,JH.Conway 生命游戏,
1980s 理论研究,S.Wolfram CA分类,
1980-90s 应用,HPP-FHP格子气自动机,
C.Langton N.Packard 人工生命
2009-8-20 22
细胞自动机下面我们讨论二维空间中的细胞自动机的生长。记 V
为细胞状态集,V中有一元素 v0为静止状态,定义 f是
V*V*…*V? V的函数,
且满足
f(v0,v0,…,v0)=v0,
则 (V,v0,f)称为是 m 个邻居的细胞自动机,f 称为该细胞自动机的变换函数。
2009-8-20 23
细胞自动机
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
1 1 0 s 1 1? 1 1 1 0 s 1
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
2009-8-20 24
变换规则表
f(1,s,2,1,2)=s
上表中函数 f 的第一个自变量为中心细胞的状态，接着的 4 个自变量是 4 个邻居的状态顺时针方向旋转,以便产生新的符号
2009-8-20 25
形态形成理论规则采用上下文无关,即在特定部分改变时不考虑上下文中的关系 。 例如一组规则：
(1) A? CB
(2) B? A
(3) C? DA
(4) D? C
2009-8-20 26
形态形成理论次数 结构 应用规则
0 A 初始种子
1 C B 规则 1,CB 代替 A
2 D A A 规则 3,DA代替 C;
规则 2,A代替 B
3 C C B C B 规则 4,C代替 D;
规则 1用两次,CB
代替 A
4 … 继续进行
2009-8-20 27
形态形成理论次数 结构 应用规则
0 A 开始种子
1 C[B]D 规则 1.
2 C[A]C(E)A 规则 3,2,4.
3 C[C[B]D]C(D)C[B]D 规则 3,1,3,5,1.
4 C[C[A]C(E)A]C(C(E)A)C(E)A 规则 3,
3,2,4,3,4,3,2,3.
2009-8-20 28
形态形成理论次数 结构 应用规则
0 A 开始种子
1 C[B]D 规则 1.
2 C[A]C(E)A 规则 3,2,4.
3 C[C[B]D]C(D)C[B]D 规则 3,1,3,5,1.
4 C[C[A]C(E)A]C(C(E)A)C(E)A 规则 3,
3,2,4,3,4,3,2,3.
2009-8-20 29
混沌理论从系统角度来看生命的行为,首先在物理上可以定义为非线性
,非平衡的开放系统 。 所以,这种系统特殊行为是自然振荡,即有限周期和混沌 。 这些生命特有的行为是本体主义和高级信息处理所关注的,人工生命中,它的生成原理是主要的 。 有限周期可以分为稳定的和不稳定的 。 把自然振荡称为稳定的有限周期 。 这种稳定的有限周期邻近的位相面轨道渐近闭轨道 。 有限振荡和混沌是结构稳定的两个方面 。 它们的差别仅仅在于有限周期的初始条件的差对于以后运动影响很大 。 在混沌中,初始条件的差随着时间很快扩大,
近似再现是困难的 。 这种性质称为轨道不稳定性,这和基于有限周期的轨道稳定性的有序化形成明显对照 。 自然界中动力学分为有序和混沌 。 有序的规则行为是周期解 。 其它混沌系统是复杂的,长期不能预测的行为 。 两者从时间发展上基本上是动力学系统 。 所以,
生命体是混沌和有序的复合 。
2009-8-20 30
混沌理论生命行为所提取的特征现象的发生原理的有序和混沌的计算能力怎样呢 。 首先,有序系统具有在它的周期上的复杂性,高度的复杂计算是不可能的 。 混沌系统必须有严格的规定,从理论上计算它的轨道的不稳定性行为是困难的,因此,仅考虑在混沌的边界所看到的生命行为 。 这样,信息的存储,传送,变换之类的基本操作可以通过有序和混沌的混合系统实现：
(1) 信息存储是从有序系统所看到的稳定周期动力学获得 。
(2) 信息的传送和变换可以从混沌系统不稳定动力学实现 。
2009-8-20 31
群体智能
2009-8-20 32
谢谢 !
THANK
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