Artificial LifeAdam Abonyi

Artificial Life• 1986 - Christopher Langton poprvé pojmenoval

obor zvaný „Artificial Life“ na Mezinárodní konferenci o Syntéze a Simulaci živých systémů.

• Alife je obor (i druh umění) studující systémy spojené s životem, jeho procesy a evolucí za použití simulací počítačových modelů, robotiky a biochemie.

Artificial Life• Tři druhý Alife podle přístupu:

o Soft (software)o Hard (hardware)o Wet (biochemická)

• Snaží se napodobit klasickou biologii tak jak jí známe

• Nejčastěji se pojmem artificial life myslí soft alife

Artificial Life• Studuje logiku „živých“ systémů v umělých

prostředí. A snaží se pochopit, co se v nich děje.

• Agentní systémyo studium chování skupiny agentů

Artificial Life – filozofie

modelování• „Life as we know it“

o Biologický model, zachycuje jen nejdůležitější parametry

• „Life as it could be“o Jednoduché principy, které používá v simulacícho Lze analyzovat nové (i neočekáváné) systémy

Artificial Life• Christopher Langton

"Artificial life is the study of man-made systems that exhibit behaviors characteristic of natural living systems. By extending the empirical foundation upon which biology is based beyond the carbon-chain that has evolved on Earth, Artificial Life can contribute to theoretical biology by locating life-as-we-know-it within the larger picture of life-as-it-could-be."

• Daniel Dennett„... evolution will occur whenever and wherever three conditions are met: replication, variation (mutation), and differential fitness (competition)“

Techniky• Celulární automaty

o Provopočátky, Conway’s Game of Life o 1969 - Konrad Zuse – Calculating Space

• Žijem ve vesmíru určeném deterministickým výpočtem na velkém celulárním automatu

• Neuronové sítěo Mozek agenta o Simulace dynamiky populace, která je schopná učenío Vliv okolí mění chování agenta

• Evoluční algoritmyo Organismy se replikujío Schopnost a efektivita replikace určena fitness jedinceo Interakce s prostředím

Core Wars• Napsaná v zjednodušeném assembleru

• Programy (vojáci) soupřeí o místo v paměti

• Vítězí program, který ukončí všechny procesy soupeře (zavolá instrukci ukončení, či dělí nulou)

• Strategieo Replicator, Bomber, Scanner,..

• Rasmusseno Přidal mutacio Kolaps systému,

přepisováním programu - znemožněna replikace

Tierra• 1990 – Thomas S. Ray (ekolog)

• První úspěšný systém

• Replikující se, mutující a evolvující se programy spolu soupeřío O životní prostor (paměť)o O prostředky (CPU time)

Tierra• Evoluce neobsahuje fitnes funkci, program žije

nebo umře• Umožňuje „open-end“ evoluci. Vliv prostředí se

může měnit• Později se ukázalo, že se programy v Tierra-like

systémech časem přestanou evolvovat (nebo se zacyklí) – open end se nekoná

Avida• Inspirované Tierrou

Charles Ofria, Chris Adami, C. Titus Brown (1993)

• Jedinci mají vlastní CPU, ale využívají ho různou rychlostí, simulace paralelního vývoje

• Komplexnější životní prostor

• Evoluce řešení matematických problémů bez předem určeného postupu

Creatures• Učíte Norny mluvit, jíst, bránit se...

• Každý Norn má vlastní DNA

• Norny lze křížit. (genetika se chová jinak než jak jí známe)

• První komeční program, který koduje alife od genetické úrovně výš. Za použití biochemie a mozku z neuronových sítí.

Tierra - jedinec• Každý jedinec má svůj proces

o Pointer na instrukcio Registryo Zásobník a pointr na zásobníko ...

• Instrukční sadao Výpočetně úplnáo Program bude vždy korektní (chybné instrukce ignorovány)o Instrukce atomickéo Adresování pomocí šablon

Tierra – genetická operace

• MutaceA. Podle vzniku

• Replikace, kopírování – vyšší ppst.• „Kosmické záření“ – nižší ppst.

B. Podle typu• Změna jednoho bitu instrukce• Náhodná výměna jedné instrukce

• Kombinace genůo Během vytváření jedince

A. Křížení B. VloženíC. Vymazání

Tierra – další operace• Chyby

o Simulují občasnou nesprávnou funkci

• Přírodní katastrofao Lze v určitých intervalech zlikvidovat část populace

Tierra – virtualní stroj• Operační systém

o Slicer – kruhová fronta procesů, který dostáváj procesorový čas

o Reaper – fronta procesů, řídí životní cyklus• Při replikaci je jedinec posunut dozadu• Při chybě je posunut dopředu• Zabijení jedinců podle pořadí ve frontě + náhodně• Kód mrtvých jedinců ponechán v paměti

o Alokátor paměti – přidělení paměti k vytvoření potomka• Právo zapisovat do své paměti má jen samotný jedinec či rodič• Jiní jedinci mohou cizí paměť číst či vykonávat

Tierra – prostředí• Cyklycký, pevně omezený lineární prostor• Jedinci soupeří o prostor v paměti a procesorový

čas• Schopnost přežít závisí i na okolních jedincích

• Na počátku do paměti umístěn jedinec schopný replikace

• Paměť se postupně naplňuje jedinci, dochází k mutacím

• Preference krátkých gen. kódů

Tierra• Parazité

o Krátký kód – nejsou schopni se sami replikovat, k replikaci používají kód jiných jedinců

• Imunita, rezistence prazitů vůči imunitě• Hyperparasitismus

o Parazit donucen replikovat kód jedince místo svého vlastního kóduo Vede k homogenní populaci jedinců vyvijejících se bez přirozeného

nepříteleo Vede k sociálnímu chování

• Sociální chovánío Kooperace při replikacio Noví parazité zneužívají kooperující jedince (homogení jedinci jsou silně

náchylní k novému druhu parazita)

Tierra – vývoj parazitů

Jedinci(červení) převažují Parazité(žlutí) se začínaj množit

Immuní jedinci(modří) se začínaj množit

Immuní jedinci převládají. Původní jedinci pomalu mizí,

parazité brzou vyhladoví

Avida• Lineární paměť nahrazena 2D mřížkou (toroid)

o Umožňuje lokální vývoj, vede k větší diverzitěo 8 sousedů, preferovaný směr při hledání šablony při skocícho Při dělení edince je potomek umístěn na některé ze sousedních míst

Avida - jedinec• Menší instrukční sada – 26 instrukcí

o Instrukce atomické, neexistence atomického programu (stejné)o Skoky pomocí šablono Některé další modifikace vykonávaných funkcí

• Genomo Cyklycký seznam instrukcío Virtuální stroj

Avida – virtuální stroj

Avida – jedinec• Replikace

o Alokace paměti pro potomka s právem zapisovato Okopírování jedinceo Oddělenío Uvedení rodiče i potomka do počátečního stavu

Avida - jedinec• Mutace

o Během kopírovánío Během oddělování potomka – vložení nebo vymazání části genetického

kóduo Bodové mutace – i během vykonávání programu, čím déle program

běží, tím je náchylnějšío Implicitní mutace – nesprávný algoritmus replikace

Avida• Fenotyp

o Interakce s prostředím – čísla, operace s čísly a vypisování výsledkůo Počet kroků nutný k vytvoření potomkao Čas přidělený jedinci (rychlost procesoru)o Celkový procesorový čas přidělený celé populaci je pevně omezen

• Genotyp - diferenciace

Avida• Parasitismus

o Parazité jako u Tierry nejsou povolenio Vložení kódu do sousedního jedince

• Využití procesorového času daného jedincea) Využití celého času – zabití hostiteleb) Využití části času – pomalejší šíření, zachování hostitelského

organismu

Avida – evoluce komplexních

funkcí• Darwin – evoluce složitějších systémů probíhá

postupně, od jednodušších přes různé přechodné stavy

• Jedinci získávají energiio Časové jednotky pro vykonávání instrukcí

• Úměrně délce genomu• Odměny za vykonávání logických operací

o Mezi instrukcemi jediný logický operátor nando Odměnu lze získat jen jednou (za každou operaci)

• Evoluce operace rovnosti (bitové porovnání dvou čísel)o Nejsložitější logická operace. Max dva vstupyo Nejkraší napsaný kód – 19 instrukcí

Avida – evoluce komplex. fcí

• Počáteční jedinec – replikace, 50 instrukcí............16 tisíc generací............Dominantní jedineco 83 instrukcío Všechny logické operace včetně rovnosti

Avida – evoluce komplex. fcí

• Prozkoumání prvního jedince, u kterého se objevil výpočet rovnostio 103 jednoduchých, 6 dvojtých a 2 trojité mutaceo 45 mutací zvýšilo fitness, 48 neutrálních, 18 škodlivých (vůči rodiči)o Dvě z mutací snížily fitness o víc než 50% vyžazení NAND, pouze dva

jedinci v populacio Další mutace vedla bezprostředně k operaci rovnosti

• Odstranění této mutace vedlo k nefunkčnosti• Fatalní nedostatek vedl k bezkonkurenční výhodě v další generaci

o 35 instrukcí pro rovnost, 22 pro jednodušší funkce, 3 nutné zároveň pro replikaci

• Celkem 50 pokusů, stejné podmínky• Rovnost ve 23 případech (různé metody)

o 49 – 356 instrukcí

Avida – evoluce komplex. fcí.

• Omezení prostředío Jedna nebo dvě jednodušší logické funnkce nebyly odměňovány – ve

34% populací se rovnost vyvinula• Žádná z log. funkcí nebyla přímo nutná k evoluci rovnosti

o 50 populací bez odměňování jednodušších funkcí• Rovnost se neobjevila ani v jednom případě• Zmenšování genomu, rychlá replikace

• Komplexní funkce se vyvijejí z jednoduššícho Jednodušší funkce prospěšné samy o sobě

• Evoluce nepostupuje přímočaře k lepším jedincům

Evoluce• Evoluce „s otevřeným koncem“

o Některé formy života evolučně stabilní, jiné se vyvijejío Nárůst komplexity, reakce na měnící se prostředío Nutná koevoluce více druhů

Evoluční dynamika• Bedau, Packard - Evoluční dynamika biologikcých

systémů je odlišná od dynamiky alife

• Evitao Systém podobný Aviděo Omezená interakce jedinců, zakázaný parazitismus