人工生命

雖然人工生命(AL)領域與人工智慧(AI)領域的確有明顯的重疊區，但他們有截然不同的初衷和演生史。以研究是否以及如何實現模擬智能的人工智慧研究，早在計算機誕生后的初期就已經興起，然而以試圖澄清emergent behaviors的本質的人工生命的研究者們，可以說一直不知其他人在做類似的工作而孤軍作戰，直到80年代末，這個領域才正式的誕生。

人工生命（artificial life）的概念，主要是指屬於計算機科學領域的虛擬生命系統，涉及計算機軟體工程與人工智慧技術，人造生命是特指基因工程技術人工改造生物，90年代未中科院曾邦哲提出人工生物系統（artificial biosystem）的工程生物系統概念來整合計算機領域和遺傳工程領域的兩個概念，涉及合成生物學和系統生物工程技術。

人工生命(Artificial life，簡稱Alife)是在 20 世紀80 年代後期興起的一門新興學科。人工生命的概念是由美國聖達菲研究所的 Langton C G 教授在1987年提出來的，並把它定義為“研究具有自然生命系統行為特徵的人造系統” .關於人工生命尚無統一的定義，不同學科背景的學者對它有著不同的理解。人工生命科學的著名學者Boden 認為：“人工生命用信息概念和計算機建模來研究一般的生命和地球上特有的生命”；而 Ray T則認為“人工生命用非生命的元素去建構生命現象以了解生物學，而不是把自然的生物體分解成各個單元，它是一種綜合性方法而不是還原的方法”。

人工生命的思想萌芽可以追溯到20 世紀 40 年代和 50 年代馮·諾依曼的細胞自動機(Cellular automata)。馮·諾伊曼試圖撇開生命具體的生物學結構，用數學和邏輯形式的方法來揭示生命最本質的方面，並將自我繁衍的本質特徵應用於人造系統，他意識到任何能夠進行自我繁殖的遺傳物質，無論是天然的還是人工的，都應具有兩個不同的基本功能：一個是在繁衍下一代過程中能夠運行的演演算法，它相當於計算機的程序；另一個是能夠複製和傳到下一代的描述，它相當於被加工的數據，馮·諾伊曼提出了細胞自動機的設想，並且證明了確實有一種能夠自我繁殖的細胞自動機存在。這表明如果把自我繁衍看成是生命獨有的特徵，則機器也能夠做到。同時，人工智慧之父圖靈在1952 年發表了一篇蘊意深刻的論形態發生的數學論文，提出了人工生命的一些萌芽思想。

但由於當時計算機的計算能力有限，馮·諾伊曼和圖靈關於人工生命的研究受到了限制，沒有引起足夠的重視。1970年康韋(John Conway)編寫了“生命遊戲”程序，它使細胞自動機產生無法預測的延伸、變形和停止等複雜的模式，這一特點吸引了大批學者，其中包括 Langton C G，他認為不應將目光囿於已知形式的生命，如果人造系統具有繁衍、進化、生存、死亡等生命特徵，它也應該看作是一種生命形式。1987 年, Langton C G 組織發起了首屆人工生命學術會議，吸引了眾多領域科學家廣泛參與，從此人工生命作為一門學科正式誕生了。

人工生命是指用計算機和精密機械等生成或構造表現自然生命系統行為特點的模擬系統或模型系統。自然生命系統的行為特點表現為自組織、自修復、自複製的基本性質，以及形成這些性質的混沌動力學、環境適應和進化。

美國聖菲研究所非線性研究組的蘭頓(C.G.Langton)於1987年提出人工生命(artificiallife)。人工生命的獨立研究領域的地位已被國際學術界所承認。在1994年創刊並在世界著名學府麻省理工學院出版的國際刊物ArtificialLife，是該研究領域內的權威刊物。

20世紀60年代，人們破譯了遺傳密碼，70年代遺傳工程有了重大突破，80年代人類又計劃測定人類基因組的鹼基序列。很自然，生物學研究接下來的一個重要目標就是用人工的方法創造出生命。這就是80年代末90年代初在國際上興起的一股探索用非有機物質創造新的生命形式的研究熱潮。這種擬議中的新的生命形式被稱為“人工生命”。人工生命概念一提出，立刻得到世界各地學者的熱烈響應，吸引了眾多學者參與到這一新興的研究領域中。人工生命的研究進展一度成為《科學》（Science）雜誌和<科學美國人>雜誌報道的熱點。人工生命不僅對傳統生物學提出了挑戰，而且也對我們最根本的社會、道德、哲學等的觀點提出了挑戰。

蘭頓關於“混沌的邊緣”和人工生命的想法得到了美國洛斯阿拉莫斯非線性研究中心的多伊恩·法默（J.DoyneFarmer）的讚賞，在他的支持下，蘭頓籌備並主持了1987年9月的第一次國際人工生命會議。會議得到了廣泛的反響，150多名來自世界各地從事相關研究的學者、科學記者參加了會議。這次會議的成功召開標誌著人工生命這個嶄新的研究領域的正式誕生。提交的會議論文經過嚴格的同行評議，以《人工生命》為題出版。蘭頓把參加人工生命研討會的人們的思想提煉成該書的前言和長達47頁的概論，在這些文字中，他為人工生命的主要思想撰寫了一份清晰的宣言。

人工生命的主要思想主要包括以下一些觀念：

（1）人工生命所用的研究方法是集成的方法。人工生命不是用分析的方法，即不是用分析解剖現有生命的物種、生物體、器官、細胞、細胞器的方法來理解生命，而是用綜合集成的方法，即在人工系統中將簡單的零部件組合在一起使之產生似生命的行為的方法來研究生命。傳統的生物學研究一直強調根據生命的最小部分分析生命並解釋它們，而人工生命研究試圖在計算機或其它媒介中合成似生命的過程和行為。

（2）人工生命是關於一切可能生命形式的生物學。人工生命並不特別關心我們知道的地球上的特殊的以水和碳為基礎的生命，這種生命是“如吾所識的生命”(life-as-we-know-it)，是傳統的生物學的主題。人工生命研究的則是“如其所能的生命”(life-as-it-could-be)。因為生物學僅僅是建立在一種實例，即地球上的生命的基礎上的，因此它在經驗上太受限制而無助於創立真正普遍的理論。這裡，一種新的思路就是人工生命。我們像我們這樣出現，並不是必然的，這僅僅是因為原先地球上存在的那些物質和進化的結果。然而，進化可能建立在更普遍的規律之上，但這些規律我們可能還沒有認識到。所以，今天的生物學僅僅是實際生命的生物學。我們只有在“生命如其所能”的廣泛內容中考察“生命如吾所識”，才會真正理解生物的本質。因此，生物學必須成為任何可能生命形式的生物學。

（3）生命的本質在於形式而不在於具體的物質。不管實際的生命還是可能的生命都不由它們所構成的具體物質決定。生命當然離不開物質，但是生命的本質並不在於具體的物質。生命是一個過程，恰恰是這一過程的形式而不是物質才是生命的本質。人們因此可以忽略物質，從它當中抽象出控制生命的邏輯。如果我們能夠在另外一種物質中獲得相同的邏輯，我們就可以創造出不同材料的另外一種生命。因此，生命在根本上與具體的媒質無關。

（4）人工生命中的“人工”是指它的組成部分，即矽片、計算規則等是人工的，但它們的行為並不是人工的。矽片、計算規則等是由人設計和規定的，人工生命展示的行為則是人工生命自己產生的。

（5）自下而上的建構。人工生命的合成的實現，最好的方法是通過以計算機為基礎的被稱為“自下而上編程”的信息處理原則來進行：在底層定義許多小的單元和幾條關係到它們內部的、完全是局部的相互作用的簡單規則，從這種相互作用中產生出連貫的“全體”行為，這種行為不是根據特殊規則預先編好的。自下而上的編程與人工智慧（AI）中主導的編程原則是完全不同的。在人工智慧中，人們試圖根據從上到下的編程手段建構智力機器：總體的行為是先驗地通過把它分解成嚴格定義的子序列編程的，子序列依次又被分成子程序、子子程序……直到程序自己的機器語言。人工生命中的自下而上的方法則相反，它模仿或模擬自然中自我組織的過程，力圖從簡單的局部控制出發，讓行為從底層突現出來。按蘭頓的說法，生命也許確實是某種生化機器，但要啟動這台機器，不是把生命注入這台機器，而是將這台機器的各個部分組織起來，讓它們產生互動，從而使其具有“生命”。

（6）并行處理。經典的計算機信息處理過程是接續發生的，在人工智慧中可以發現類似的“一個時間單元一個邏輯步驟”的思維；而在人工生命中，信息處理原則是基於發生在實際生命中的大量并行處理過程的。在實際生命中，大腦的神經細胞彼此并行工作，不用等待它們的相鄰細胞“完成工作”；在一個鳥群中，是很多鳥的個體在飛行方向上的小的變化給予鳥群動態特徵的。

（7）突現是人工生命的突出特徵。人工生命並不像人們在設計汽車或機器人那樣在平庸的意義上是預先設計好的。人工生命最有趣的例子是展示出“突現”的行為。“突現”一詞用來指稱在複雜的（非線性的）形態中許多相對簡單單元彼此相互作用時產生出來的引人注目的整體特性。在人工生命中，系統的表現型不能從它的基因型中推倒出來。這裡，基因型是指系統運作的簡單規則，比如，康韋“生命”遊戲中的兩個規則；表現型是指系統的整體突現行為，比如“滑翔機”在生命格子中沿對角線方向往下扭動。用計算機的語言來說，正是自下而上的方法，允許在上層水平突現出新的不可預言的現象，這種現象對生命系統來說是關鍵的。

（8）真正“活的”人工生命總有一天會誕生。在蘭頓的人工生命“宣言”中，頓雖然非常謹慎地避免宣稱人工生命研究人員所研究的實體“真正”是活的，但是，如果生命真的只是組織問題，那麼組織完善的實體，無論它是由什麼做的，都應當是活的。因此，蘭頓確信，“真正的”人工生命總有一天會誕生，而且會很快地誕生。

人工生命是藉助計算機以及其他非生物媒介，實現一個具有生物系統具有的特徵的過程或系統。這些可實現的生物系統具有的特徵包括：

繁殖可以通過數據結構在可判定條件下的翻倍實現。同樣，個體的死亡，可以通過數據結構在可判定條件下的刪除實現；有性繁殖，可通過組合兩個個體的數據結構特性的數據結構生成的方式實現。

進化可通過模擬突變，以及通過設定對其繁殖能力與存活能力的自然選擇的選擇壓力實現。

信息交換與處理能力模擬的個體與模擬的外界環境之間的信息交換，以及模擬的個體之間的信息交換-即模擬社會系統。

決策能力通過人工模擬腦實現，可以以人工神經網路或其他人工智慧結構實現。

強人工生命:主張"生命系統的演化過程，是一個可以從任何特殊媒介物中抽象出來的過程。"(John Von Neumann). Notably, Tom Ray 在Tierra模擬試驗中第一次展示了，進化過程在有著搶佔計算機存儲空間之爭的計算機程序的某種群體中極易發生。

弱人工生命：認為通過不基於碳"生命過程"的生成是不可能的。他們的研究不是去模擬這一過程，而是試圖去理解單個的現象。通常通過agent based model進行研究，它通常可提供最簡的可能結論，就是：我們不知道自然界中的什麼生成了這種現象，但是通過模擬也許可以找到複雜生物現象的原理。

自從1987年蘭頓提出人工生命的概念以來，人工生命研究已走過了13年的歷程。人工生命的獨立研究領域的地位已被國際學術界所承認。在1994年創刊並在世界著名學府麻省理工學院出版的國際刊物《人工生命》（ArtificialLife），是該研究領域內的權威刊物。網路上的人工生命資源非常豐富，人工生命的網上園地Zooland曾在《科學》雜誌上得到專門的報道。

人工生命學術界舉辦了7次里程碑式的國際學術會議，這幾次人工生命會議構成了該學科發展軌跡在時間維上的重要坐標點。

人工生命的這7次學術會議簡要評述如下：

（1）“人工生命——關於生命系統合成與模擬的跨學科研討會”。本次會議於1987年9月在美國新墨西哥的羅斯阿拉莫斯舉行。這次會議一般被簡稱為“ALIFEⅠ”。本次會議的論文集共收錄了24篇論文，內容主要分佈在：人工生命研究的理論、生命現象的模擬、細胞自動機（簡稱CA）、遺傳演演算法、進化模擬等5個方面，蘭頓發表了題為“人工生命”的開拓性論文，他在文中提出了人工生命的概念，並討論了它作為一門新興的研究領域或學科存在的意義。蘭頓被公認為人工生命研究的創立者。這次會議標誌著人工生命研究領域的誕生。

（2）“人工生命Ⅱ——人工生命研討會”。本次會議於1990年2月在美國新墨西哥的聖菲舉行），簡稱ALIFEⅡ。該會議論文集共收錄了31篇論文，內容分為概貌、自組織、進化動力學、開發、學習與進化、計算、哲學與突現、未來等8部分。其中蘭頓的“混沌邊緣的生命”、約翰·科贊（JohnKoza）的“遺傳進化和計算機程序的共進化”屬於經典之作。

（3）“人工生命Ⅲ——人工生命研討會”，1992年6月在美國新墨西哥的聖菲舉行，簡稱為ALIFEⅢ。本次會議的論文集共收錄了26篇論文，內容除涉及遺傳演演算法、進化模擬、突現行為、適應度概貌圖、群體動力學和混沌機制等人工生命經典內容之外，還討論了機器人規劃應用問題。科贊的“人工生命：自我複製的自發突現與進化的自改進計算機程序”堪稱傑作，從遺傳編程演演算法方面探討了在人工生命研究中關鍵的突現機理。

（4）“人工生命IV——第四屆國際生命系統合成與模擬研討會”，1994年7月在美國麻省理工學院舉行，簡稱為ALIFEIV。本次會議的論文集共收錄了56篇論文，內容分為特邀報告、長文和短文3個部分，它復蓋了協同進化、遺傳運算元、進化與其它方法（如神經網路等）的綜合、AL演演算法、關於混沌邊緣和分岔的研究、AL建模、學習能力、進化動力學、細胞自動機、DNA非均衡學說研究、人工生命在字元識別、機器人等方面的應用等較為廣泛的內容。

（5）“人工生命Ⅴ——第五屆國際生命系統合成與模擬研討會”，1996年5月16-18，在日本古城奈良舉行，來自世界各地的500多名學者參加了會議。這是人工生命首次在亞洲召開的國際會議。人工生命概念剛提出，就引起日本學者的關注，第一次人工生命國際會議就有日本學者參加。這次會議在日本的召開，標誌著日本成為亞洲人工生命研究的中心。

（6）“人工生命VI——第六屆國際人工生命研討會”，1998年6月26-29在美國洛杉磯加利福尼亞大學舉行。這次會議的主題是“生命和計算：變化著的邊界”。本次會議收到大約100篇提交的論文，其中39篇作為完整論文在這次會議的論文集中得到介紹。有9篇論文被認為是人工生命的新的高質量工作。這次會議主要的論文涉及的是計算的分子和細胞生物學。會議提供了許多新的關於發育過程、細胞分化機理和免疫反應模型製造的新見解。這些論文把人工生命擴展到令人興奮的新方向。

（7）“人工生命Ⅶ——回顧過去，展望未來”,於2000年8月1-6日在美國波特蘭的里德學院舉行。本次會議的主題是：“回顧過去，展望未來”。具體討論的問題有以下幾個方面：生命的起源、自組織和自複製問題，包括人工化學進化、自催化系統、虛擬新陳代謝等；發育和分化問題，包括人工的和自然的形態發生，多細胞分化與生物進化，基因調節網路等；進化和適應動力學問題，包括人工進化生態學，可進化性及其對生物組織的影響，進化計算等；機器人和智能主體，包括進化機器人，自主適應機器人和軟體智能體等；通訊、協作和集體行為，包括突現集體行為，通訊和協作的進化，語言系統、社會系統、經濟系統和社會-技術系統等；人工生命技術和方法的應用，包括工業和商業的應用，可進化硬體、自修復硬體和分子計算，金融和經濟學，計算機遊戲，醫療應用，教育應用等；認識論和方法論基礎問題，包括人工生命的本體論、認識論以及倫理和社會影響等。

人工生命的研究可使我們更好地理解湧現特徵，個體在低級組織中的集合，通過我們的相互作用，常可產生特徵。該特徵不僅僅是個體的重疊，而且是總體上新的出現特徵。這樣的現象可見於自然界的所有領域，但在生命系統中更為明顯。生命本身確實有湧現性質，當總體分解為它們的組成部分時，相互作用所產生的湧現性質將全部消失。歸約科學，它的研究方法今天看來是最嚴肅的學術研究，其中大部分是分析的方法。歸約科學在各個領域都已取得很大成功。但自然的很多特性都被忽略，這並不是因為這些特性是無趣的或不重要的，相反，人們研究這些特性，但缺乏適當的工具和有效的方法來研究，人工生命領域的研究必須是綜合的，把所有的因素綜合考慮以創造生命形式，而不是肢解。

有很多方法使得新的特性可能湧現，人工生命將會成為研究生物的一個特別有用的工具。對於研究像熵條件這樣的抽象課題，可以支持有關生命問題的研究。

按照人工生命的組織機構，人工生命的內容大致可以分成兩類：

(1)構成生物體的內部系統，包括腦、神經系統、內分泌系統、免疫系統、遺傳系統、酶系統、代謝系統等。

(2)在生物體及其群體中表現的外部系統。

生物群體中環境適應系統和遺傳進化系統從生物體的內部和外部系統所得到的各種信息，構成人工生命研究的方法，主要有兩類：

(1)模型法。根據內部和外部系統所表現的生命行為，建造信息模型。

(2)工作原理法。生命行為所顯示的自律分散和非線性的行為，它的工作原理是混沌和分形，據此研究它的機理。

這個領域需要運用很多計算機程序與計算機模擬, 包括進化演演算法evolutionary computation (evolutionary algorithms (EA),遺傳演演算法 genetic algorithms (GA), 遺傳編程genetic programming (GP), 群體智慧swarm intelligence (SI), 蟻群優化ant colony optimization (ACO)) 人工化學合成artificial chemistries (AC), 智能體agent-based models, and 細胞自動機cellular automata (CA).這些領域通常被視作AL的亞領域，這些領域的論題以及其他一些暫時未歸於其他領域的相關技術問題，在他們獨立門戶之前，也是在AL的會議上討論的。

在很多如語言學、物理學、數學、哲學、計算機科學、生物學、人類學以及社會學等學科中，有爭議的非常規的計算性以及理論性的嘗試也可以在這裡被討論。這是一個曾在歷史上有爭議的領域，John Maynard Smith在1995年曾批判部分AL工作為"脫離事實的科學",，此外AL也沒有廣泛的得到生物家們的注意。然而，如今AL相關論文在被廣泛閱讀的科學Science 和 自然Nature 上的發表，證明這一領域的技術，至少作為研究進化的一個方法，正在被主流接受。被模擬的生命系統特性和能力，決策能力通過人工模擬腦實現，可以以人工神經網路或其他人工智慧結構實現。

備受爭議的基因組研究先鋒克萊格·文特和他的研究團隊日前製造出了一個細菌的基因組，並將其植入一個細胞內。至此，他們創造了世界上首個人工合成的生命結構。

這項成果被認為具有里程碑式的意義，將會為設計有機物鋪平道路。在未來，有機物可能不是通過進化而改變，而是通過人工合成的方式被製造出來。

共有20名科學家參與了這項備受爭議的實驗，前後耗時長達10年，實驗的花費約為4000萬美元。有一位學者表示，這項實驗是“生物學上的決定性時刻”。

基因組研究先鋒、美國遺傳學家克萊格·文特是實驗的領導者之一。他說，這項成就就像昭示新時代的曙光一樣，在未來，科學家可以製造新的生命造福人類，可以製造生物燃料的細菌將會成為首當其衝的“人工生命”。

該研究團隊如今計劃使用人工合成有機物來製造出生命存活所需要的基因。通過這個方法，可以將新的基因加入現有生物中，創造出新的微生物，從而製造有用的化合物、減少污染物，或是製造疫苗所需要的蛋白質。

文特和他的科研團隊此次製造的新生命使用的是一個現有的會導致山羊乳腺炎的細菌，但這個細菌的細胞內核是一個完全由化學物品人工合成的基因組。

這個新生命的DNA中被寫入了四個“水印”，以此表明其人工合成的身份，並使得科學家可以追溯它的後代。

“當我們發現帶有‘水印’的細胞開始啟動繁殖，我們欣喜若狂，”文特說，“它是一個活生生的物種，是我們這個星球上生命中的一部分。”

這項研究將會在刊登在今天的《科學》雜誌網路版中。文特對《科學》雜誌表示，“這是科學界和哲學界中的重要時刻，它改變了我對生命以及生命如何工作的看法。”

人工生命研究的基礎理論是細胞自動機理論、形態形成理論、混沌理論、遺傳理論、信息複雜性理論等。在細胞自動機中，被改變的結構是整個有限自動機格陣。在這種情況下，局部規則組是傳遞函數，在格陣中的每個自動機是同構的。所考慮修改的局部上下文是當時鄰近的自動機的狀態。自動機的傳遞函數構造一種簡單的、離散的空間/時間範圍的局部物理成分。要修改的範圍里採用局部物理成分對其結構的“細胞”重複修改。這樣，儘管物理結構本身每次並不發展，但是狀態在變化。當系統的規模低於臨界規模，則自複製裝置不可避免地只能製造比自已更小型、更簡單的子孫；一旦系統超過臨界規模，則不僅可以自複製，而且有可能製造出比自已更複雜的子孫，即具有進化的可能性。

典型的形態形成理論是1968年林德邁伊（Lindenmayer）提出的L-系統。L-系統由一組符號串的重寫規則組成，它與喬姆斯基(Chomsky)形式語法有密切關係。在下面“X→Y”表示結構中當出現X時用字元串Y代替。因為字元X可以出現在規則的右邊和左邊，這組規則可以被遞歸地應用來重寫新的結構。它是從生命行為中的形態形成側面來說明其形態形成和發生行為。