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Self-replicating machine

A simple form of machine self-replication A self-replicating machine is a type of autonomous robot that is capable of reproducing itself autonomously using raw materials found i...

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A simple form of machine self-replication

A self-replicating machine is a type of autonomous robot that is capable of reproducing itself autonomously using raw materials found in the environment, thus exhibiting self-replication in a way analogous to that found in nature.[1][2][3] The concept of self-replicating machines has been advanced and examined by Homer Jacobson, Edward F. Moore, Freeman Dyson, John von Neumann, Konrad Zuse[4][5] and in more recent times by K. Eric Drexler in his book on nanotechnology, Engines of Creation (coining the term clanking replicator for such machines) and by Robert Freitas and Ralph Merkle in their review Kinematic Self-Replicating Machines[6] which provided the first comprehensive analysis of the entire replicator design space. The future development of such technology is an integral part of several plans involving the mining of moons and asteroid belts for ore and other materials, the creation of lunar factories, and even the construction of solar power satellites in space. The von Neumann probe[7] is one theoretical example of such a machine. Von Neumann also worked on what he called the universal constructor, a self-replicating machine that would be able to evolve and which he formalized in a cellular automata environment. Notably, Von Neumann's Self-Reproducing Automata scheme posited that open-ended evolution requires inherited information to be copied and passed to offspring separately from the self-replicating machine, an insight that preceded the discovery of the structure of the DNA molecule by Watson and Crick and how it is separately translated and replicated in the cell.[8][9]

Una máquina autorreplicante es un sistema artificial autorreplicante que se basa en tecnología convencional a gran escala y automatización. El concepto, propuesto por primera vez por Von Neumann a más tardar en la década de 1940, ha atraído una variedad de enfoques diferentes que involucran diversos tipos de tecnología. En la literatura se encuentran ocasionalmente ciertos términos idiosincrásicos. Por ejemplo, el término replicador ruidoso fue utilizado en una ocasión por Drexler [ 10 ] para distinguir los sistemas de replicación a macroescala de los nanorobots microscópicos o " ensambladores " que la nanotecnología podría posibilitar, pero el término es informal y rara vez se usa en discusiones populares o técnicas. Los replicadores también han sido llamados "máquinas de von Neumann" en honor a John von Neumann, quien fue el primero en estudiar rigurosamente la idea. Sin embargo, el término "máquina de von Neumann" es menos específico y también se refiere a una arquitectura de computadora completamente diferente que von Neumann propuso, por lo que se desaconseja su uso cuando la precisión es importante. [ 6 ] Von Neumann utilizó el término constructor universal para describir dichas máquinas autorreplicantes.

Los historiadores de las máquinas herramienta , incluso antes de la era del control numérico , a veces decían figurativamente que las máquinas herramienta eran una clase única de máquinas porque tienen la capacidad de "reproducirse a sí mismas" [ 11 ] copiando todas sus piezas. Implícito en estas discusiones está que un humano dirigiría los procesos de corte (planificando y programando posteriormente las máquinas) y luego ensamblaría las piezas. Lo mismo ocurre con las RepRap , que son otra clase de máquinas que a veces se mencionan en referencia a dicha "autorreplicación" no autónoma. Estas discusiones se refieren a conjuntos de máquinas herramienta, y dichos conjuntos tienen la capacidad de reproducir sus propias piezas, la cual es finita y baja para una sola máquina, y asciende a casi el 100% con conjuntos de solo una docena de máquinas similares, pero con un funcionamiento único, estableciendo lo que los autores Frietas y Merkle denominan cierre de materia o material. El cierre de energía es la siguiente dimensión más difícil de cerrar, y el control la más difícil, señalando que no hay otras dimensiones en el problema. En cambio, las máquinas que son verdaderamente autorreplicantes de forma autónoma (como las máquinas biológicas ) son el tema principal que se analiza aquí, y tendrían un cierre en cada una de las tres dimensiones.

Historia

The general concept of artificial machines capable of producing copies of themselves dates back at least several hundred years. An early reference is an anecdote regarding the philosopher René Descartes, who suggested to Queen Christina of Sweden that the human body could be regarded as a machine; she responded by pointing to a clock and ordering "see to it that it reproduces offspring."[12] Several other variations on this anecdotal response also exist. Samuel Butler proposed in his 1872 novel Erewhon that machines were already capable of reproducing themselves but it was man who made them do so,[13] and added that "machines which reproduce machinery do not reproduce machines after their own kind".[14] In George Eliot's 1879 book Impressions of Theophrastus Such, a series of essays that she wrote in the character of a fictional scholar named Theophrastus, the essay "Shadows of the Coming Race" speculated about self-replicating machines, with Theophrastus asking "how do I know that they may not be ultimately made to carry, or may not in themselves evolve, conditions of self-supply, self-repair, and reproduction".[15]

In 1802 William Paley formulated the first known teleological argument depicting machines producing other machines,[16] suggesting that the question of who originally made a watch was rendered moot if it were demonstrated that the watch was able to manufacture a copy of itself.[17] Scientific study of self-reproducing machines was anticipated by John Bernal as early as 1929[18] and by mathematicians such as Stephen Kleene who began developing recursion theory in the 1930s.[19] Much of this latter work was motivated by interest in information processing and algorithms rather than physical implementation of such a system, however. In the course of the 1950s, suggestions of several increasingly simple mechanical systems capable of self-reproduction were made — notably by Lionel Penrose.[20][21]

Von Neumann's kinematic model

A detailed conceptual proposal for a self-replicating machine was first put forward by mathematician John von Neumann in lectures delivered in 1948 and 1949, when he proposed a kinematic model of self-reproducing automata as a thought experiment.[22][23] Von Neumann's concept of a physical self-replicating machine was dealt with only abstractly, with the hypothetical machine using a "sea" or stockroom of spare parts as its source of raw materials. The machine had a program stored on a memory tape that instructed it to retrieve parts from this "sea" using a manipulator, assemble them into a copy of itself, and then transfer the contents of its memory tape into the new duplicate. The machine was envisioned as consisting of as few as eight different types of components: four logic elements for sending and receiving stimuli and four mechanical elements for providing structural support and mobility. Although qualitatively sound, von Neumann was evidently dissatisfied with this self-replicating machine model due to the difficulty of analyzing it with mathematical precision. He went on to instead develop an even more abstract model self-replicator based on cellular automata.[24] His original kinematic concept remained obscure until it was popularized in a 1955 issue of Scientific American.[25]

Von Neumann's goal for his self-reproducing automata theory, as specified in his lectures at the University of Illinois in 1949,[22] was to design a machine whose complexity could grow automatically akin to biological organisms under natural selection. He asked what is the threshold of complexity that must be crossed for machines to be able to evolve.[8] His answer was to design an abstract machine which, when run, would replicate itself. Notably, his design implies that open-ended evolution requires inherited information to be copied and passed to offspring separately from the self-replicating machine, an insight that preceded the discovery of the structure of the DNA molecule by Watson and Crick and how it is separately translated and replicated in the cell.[8][9]

Moore's artificial living plants

En 1956, el matemático Edward F. Moore propuso la primera sugerencia conocida para una máquina autorreplicante práctica del mundo real, también publicada en Scientific American . [ 26 ] [ 27 ] Las "plantas vivas artificiales" de Moore se propusieron como máquinas capaces de usar aire, agua y tierra como fuentes de materias primas y de obtener su energía de la luz solar a través de una batería solar o una máquina de vapor . Eligió la costa como hábitat inicial para dichas máquinas, dándoles fácil acceso a los químicos del agua de mar, y sugirió que las generaciones posteriores de la máquina podrían diseñarse para flotar libremente en la superficie del océano como barcazas de fábrica autorreplicantes o para ser colocadas en terrenos desérticos áridos que de otro modo serían inútiles para fines industriales. Los autorreplicadores serían "cosechados" para obtener sus componentes, que la humanidad usaría en otras máquinas no replicantes.

Sistemas de replicación de Dyson

El siguiente gran avance del concepto de máquinas autorreplicantes fue una serie de experimentos mentales propuestos por el físico Freeman Dyson en su Conferencia Vanuxem de 1970. [ 28 ] [ 29 ] Propuso tres aplicaciones a gran escala de replicadores de máquinas. La primera consistía en enviar un sistema autorreplicante a Encélado , la luna de Saturno , que además de producir copias de sí mismo, también estaría programado para fabricar y lanzar naves espaciales de carga propulsadas por velas solares . Estas naves espaciales transportarían bloques de hielo de Encélado a Marte , donde se utilizarían para terraformar el planeta . Su segunda propuesta era un sistema de fábrica alimentado por energía solar diseñado para un entorno desértico terrestre, y su tercera era un "kit de desarrollo industrial" basado en este replicador que podría venderse a países en desarrollo para proporcionarles tanta capacidad industrial como desearan. Cuando Dyson revisó y reimprimió su conferencia en 1979, agregó propuestas para una versión modificada de las plantas artificiales vivientes marinas de Moore que fue diseñada para destilar y almacenar agua dulce para uso humano [ 30 ] y el " Astrochicken ".

Automatización avanzada para misiones espaciales

Representación artística de una fábrica lunar robótica de "crecimiento autónomo".

En 1980, inspirada por un taller de "Nuevas Direcciones" celebrado en Wood's Hole en 1979, la NASA llevó a cabo un estudio conjunto de verano con la ASEE titulado "Automatización Avanzada para Misiones Espaciales" para elaborar una propuesta detallada de fábricas autorreplicantes que permitieran desarrollar recursos lunares sin necesidad de lanzamientos adicionales ni trabajadores humanos en el lugar. El estudio se realizó en la Universidad de Santa Clara entre el 23 de junio y el 29 de agosto, y el informe final se publicó en 1982. [ 31 ] El sistema propuesto habría sido capaz de aumentar exponencialmente la capacidad productiva y su diseño podría modificarse para construir sondas autorreplicantes para explorar la galaxia.

El diseño de referencia incluía pequeños carros eléctricos controlados por computadora que se desplazaban sobre rieles dentro de la fábrica, "máquinas pavimentadoras" móviles que utilizaban grandes espejos parabólicos para concentrar la luz solar sobre el regolito lunar , fundiéndolo y sinterizándolo para obtener una superficie dura apta para la construcción, y cargadoras frontales robóticas para la minería a cielo abierto . El regolito lunar en bruto se refinaría mediante diversas técnicas, principalmente la lixiviación con ácido fluorhídrico . Se propusieron grandes vehículos de transporte con diversos brazos manipuladores y herramientas como constructores que ensamblarían nuevas fábricas a partir de piezas y conjuntos producidos por su planta matriz.

La energía sería suministrada por una estructura de células solares sostenida por pilares. El resto de la maquinaria se ubicaría debajo de dicha estructura.

Un robot de fundición utilizaría herramientas y plantillas de escultura para crear moldes de yeso . Se eligió el yeso porque los moldes son fáciles de fabricar, permiten obtener piezas precisas con buenos acabados superficiales y, además, se puede reciclar fácilmente mediante un horno para eliminar el agua. El robot fundiría la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o metales purificados. También se incluyó un sistema de corte y soldadura láser de dióxido de carbono .

Se especificó un fabricante de microchips más complejo y con un enfoque más especulativo para producir los sistemas informáticos y electrónicos, pero los diseñadores también dijeron que podría resultar práctico enviar los chips desde la Tierra como si fueran "vitaminas".

Un estudio de 2004, apoyado por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA, llevó esta idea más allá. [ 32 ] Algunos expertos están empezando a considerar máquinas autorreplicantes para la minería de asteroides .

Gran parte del estudio de diseño se centró en un sistema químico simple y flexible para procesar los minerales, y en las diferencias entre la proporción de elementos necesarios para el replicador y las proporciones disponibles en el regolito lunar . El elemento que más limitaba la tasa de crecimiento era el cloro , necesario para procesar el regolito y obtener aluminio . El cloro es muy escaso en el regolito lunar.

Replicadores Lackner-Wendt Auxon

En 1995, inspirados por la sugerencia de Dyson de 1970 de sembrar desiertos deshabitados en la Tierra con máquinas autorreplicantes para el desarrollo industrial, Klaus Lackner y Christopher Wendt desarrollaron un esquema más detallado para dicho sistema. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] Propusieron una colonia de robots móviles cooperativos de 10 a 30  cm de tamaño que se desplazarían sobre una cuadrícula de pistas cerámicas electrificadas alrededor de equipos de fabricación estacionarios y campos de células solares. Su propuesta no incluía un análisis completo de los requisitos de materiales del sistema, pero describía un método novedoso para extraer los diez elementos químicos más comunes que se encuentran en la capa superficial del suelo del desierto (Na, Fe, Mg, Si, Ca, Ti, Al, C, O 2 y H 2 ) utilizando un proceso carbotérmico de alta temperatura. Esta propuesta se popularizó en la revista Discover , que presentaba equipos de desalinización alimentados por energía solar utilizados para irrigar el desierto en el que se basaba el sistema. [ 36 ] Llamaron a sus máquinas "Auxons", de la palabra griega auxein que significa "crecer".

Trabajos recientes

Estudios del NIAC sobre sistemas autorreplicantes

Siguiendo la línea del estudio de 1980 "Automatización avanzada para misiones espaciales", el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA inició varios estudios sobre el diseño de sistemas autorreplicantes en 2002 y 2003. Se otorgaron cuatro subvenciones de fase I:

Impulsando fábricas autorreplicantes en el espacio.

En 2012, los investigadores de la NASA Metzger , Muscatello, Mueller y Mantovani defendieron un enfoque denominado "autoarranque" para iniciar fábricas autorreplicantes en el espacio. [ 43 ] Desarrollaron este concepto basándose en las tecnologías de Utilización de Recursos In Situ (ISRU, por sus siglas en inglés) que la NASA ha estado desarrollando para "aprovechar los recursos terrestres" en la Luna o Marte. Su modelo mostró que en tan solo 20 a 40 años esta industria podría volverse autosuficiente y luego crecer a gran escala, lo que permitiría una mayor exploración espacial y proporcionaría beneficios a la Tierra. En 2014, Thomas Kalil, de la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca , publicó en el blog de la Casa Blanca una entrevista con Metzger sobre el autoarranque de la civilización del sistema solar a través de una industria espacial autorreplicante. [ 44 ] Kalil solicitó al público que presentara ideas sobre cómo "la Administración, el sector privado, los filántropos, la comunidad investigadora y los divulgadores pueden impulsar estos objetivos". Kalil relacionó este concepto con lo que el ex tecnólogo jefe de la NASA, Mason Peck, denominó "Exploración sin masa", la capacidad de fabricar todo en el espacio sin necesidad de lanzarlo desde la Tierra. Peck afirmó: "...toda la masa que necesitamos para explorar el sistema solar ya está en el espacio. Simplemente tiene la forma equivocada". [ 45 ] En 2016, Metzger argumentó que los astronautas podrían iniciar una industria totalmente autorreplicante en varias décadas desde un puesto avanzado lunar, con un costo total (puesto avanzado más la puesta en marcha de la industria) de aproximadamente un tercio de los presupuestos espaciales de las naciones socias de la Estación Espacial Internacional , y que esta industria resolvería los problemas energéticos y ambientales de la Tierra, además de proporcionar exploración sin masa. [ 46 ]

Motivos de mosaicos de ADN artificial de la Universidad de Nueva York

En 2011, un equipo de científicos de la Universidad de Nueva York creó una estructura llamada «BTX» (triple hélice curvada) basada en tres moléculas de doble hélice, cada una formada por una corta hebra de ADN. Al tratar cada grupo de tres dobles hélices como una letra de código, pueden (en principio) construir estructuras autorreplicantes que codifican grandes cantidades de información. [ 47 ] [ 48 ]

Autorreplicación de polímeros magnéticos

En 2001, Jarle Breivik, de la Universidad de Oslo, creó un sistema de bloques de construcción magnéticos que, en respuesta a las fluctuaciones de temperatura, forman espontáneamente polímeros autorreplicantes. [ 49 ]

Autorreplicación de circuitos neuronales

En 1968, Zellig Harris escribió que "el metalenguaje está en el lenguaje" [ 50 ] , sugiriendo que la autorreplicación es parte del lenguaje. En 1977, Niklaus Wirth formalizó esta proposición al publicar una gramática libre de contexto determinista autorreplicante . [ 51 ] Añadiéndole probabilidades, Bertrand du Castel publicó en 2015 una gramática estocástica autorreplicante y presentó un mapeo de esa gramática a redes neuronales , presentando así un modelo para un circuito neuronal autorreplicante. [ 52 ]

Instituto Wyss de Harvard

El 29 de noviembre de 2021, un equipo del Instituto Wyss de Harvard construyó los primeros robots vivientes capaces de reproducirse. [ 53 ]

Naves espaciales autorreplicantes

La idea de una nave espacial automatizada capaz de construir copias de sí misma fue propuesta por primera vez en la literatura científica en 1974 por Michael A. Arbib , [ 54 ] [ 55 ] pero el concepto había aparecido antes en la ciencia ficción, como la novela Berserker de 1967 de Fred Saberhagen o la trilogía de novelas cortas de 1950 El viaje del Space Beagle de AE ​​van Vogt . El primer análisis de ingeniería cuantitativa de una nave espacial autorreplicante fue publicado en 1980 por Robert Freitas , [ 56 ] en el que el diseño del Proyecto Dédalo, que no era replicante, fue modificado para incluir todos los subsistemas necesarios para la autorreplicación. La estrategia del diseño era usar la sonda para entregar una fábrica de "semillas" con una masa de aproximadamente 443 toneladas a un sitio distante, hacer que la fábrica de semillas replicara muchas copias de sí misma allí para aumentar su capacidad de fabricación total, y luego usar el complejo industrial automatizado resultante para construir más sondas con una sola fábrica de semillas a bordo de cada una.

Perspectivas de implementación

A medida que el uso de la automatización industrial se ha expandido con el tiempo, algunas fábricas han comenzado a acercarse a una apariencia de autosuficiencia que sugiere máquinas autorreplicantes. [ 57 ] Sin embargo, es improbable que tales fábricas logren un "cierre total" [ 58 ] hasta que el costo y la flexibilidad de la maquinaria automatizada se acerquen a los de la mano de obra humana y la fabricación de piezas de repuesto y otros componentes localmente sea más económica que transportarlos desde otros lugares. Como ha señalado Samuel Butler en Erewhon , la replicación de fábricas de máquinas herramienta universales parcialmente cerradas ya es posible. Dado que la seguridad es un objetivo primordial de toda consideración legislativa de regulación de dicho desarrollo, los esfuerzos de desarrollo futuros pueden limitarse a sistemas que carecen de cierre de control, materia o energía. Los replicadores de máquinas totalmente capaces son más útiles para desarrollar recursos en entornos peligrosos que no son fácilmente accesibles por los sistemas de transporte existentes (como el espacio exterior ).

Un replicador artificial puede considerarse una forma de vida artificial . Dependiendo de su diseño, podría evolucionar durante un período prolongado. [ 59 ] Sin embargo, con una corrección de errores robusta y la posibilidad de intervención externa, el escenario común de la ciencia ficción de una vida robótica fuera de control seguirá siendo extremadamente improbable en un futuro previsible. [ 60 ]

En la ficción

Entre los autores que han utilizado máquinas autorreplicantes en obras de ficción se incluyen: Philip K. Dick , [ 2 ] Arthur C. Clarke , [ 2 ] Karel Čapek : ( RUR : Rossum's Universal Robots (1920)), [ 2 ] [ 1 ] John Sladek ( The Reproductive System ), [ 2 ] Samuel Butler ( Erewhon ), [ 2 ] Dennis E. Taylor [ 61 ] y EM Forster ( The Machine Stops (1909)). [ 1 ]

Otras fuentes

  • Se han concedido varias patentes para conceptos de máquinas autorreplicantes. [ 62 ] Patente estadounidense 5,659,477 "Máquinas de fabricación fundamentales autorreplicantes (unidades F)" Inventor: Collins; Charles M. (Burke, Va.) (agosto de 1997), patente estadounidense 5,764,518 "Sistema de máquina de fabricación fundamental autorreplicante" Inventor: Collins; Charles M. (Burke, Va.) (junio de 1998); y patente PCT de Collins WO 96/20453: [ 63 ] "Método y sistema para estaciones de fabricación autorreplicantes" Inventores: Merkle; Ralph C. (Sunnyvale, Calif.), Parker; Eric G. (Wylie, Tex.), Skidmore; George D. (Plano, Tex.) (enero de 2003).
  • Los replicadores macroscópicos se mencionan brevemente en el cuarto capítulo del libro de K. Eric Drexler de 1986 , Motores de la Creación . [ 10 ]
  • En 1995, Nick Szabo propuso el reto de construir un replicador a macroescala a partir de kits de robots Lego y piezas básicas similares. [ 64 ] Szabo escribió que este enfoque era más fácil que las propuestas anteriores para replicadores a macroescala, pero predijo correctamente que incluso este método no daría como resultado un replicador a macroescala en diez años.
  • En 2004, Robert Freitas y Ralph Merkle publicaron la primera revisión exhaustiva del campo de la autorreplicación (de la cual se deriva gran parte del material de este artículo, con el permiso de los autores), en su libro Kinematic Self-Replicating Machines , que incluye más de 3000 referencias bibliográficas. [ 6 ] Este libro incluyó un nuevo diseño de ensamblador molecular, [ 65 ] una introducción a las matemáticas de la replicación, [ 66 ] y el primer análisis exhaustivo de todo el espacio de diseño de replicadores. [ 67 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Colvin, Fred H. (1947), Sesenta años con hombres y máquinas , Nueva York y Londres: McGraw-Hill, LCCN 47003762 Disponible como reimpresión de Lindsay Publications ( ISBN) 978-0-917914-86-7). Prólogo de Ralph Flanders .
  • M. Sipper, Cincuenta años de investigación sobre la autorreplicación: una visión general , Artificial Life, vol. 4, n.º 3, págs.  237-257, verano de 1998.
  • Freeman Dyson amplió las teorías de autómatas de Neumann y propuso una teoría inspirada en la biotecnología. Véase Astrochicken .
  • El primer estudio de diseño técnico de una sonda interestelar autorreplicante fue publicado en un artículo de Robert Freitas en 1980 .
  • Los replicadores ruidosos también se mencionan brevemente en el cuarto capítulo del libro de K. Eric Drexler de 1986, Engines of Creation .
  • Artículo publicado en la revista Discover de octubre de 1995 sobre un sistema replicador ruidoso propuesto para el desarrollo de desiertos terrestres , que mostraba bosques de paneles solares que alimentaban equipos de desalinización para irrigar la tierra.
  • En 1995, Nick Szabo propuso el reto de construir un replicador a macroescala a partir de kits de robótica Lego y piezas básicas similares. Szabo escribió que este método era más sencillo que las propuestas anteriores para replicadores a macroescala, pero predijo con acierto que ni siquiera este método daría como resultado un replicador a macroescala en diez años.
  • En 1998, Chris Phoenix propuso una idea general para un replicador a macroescala en el grupo de noticias sci.nanotech , que funcionaría en un baño de plástico líquido curado con luz ultravioleta , solidificando selectivamente el plástico para formar piezas sólidas. El procesamiento se realizaría mediante lógica fluidica . La energía para el proceso se suministraría mediante una fuente presurizada del líquido.
  • En 2001, Peter Ward mencionó en su libro Future Evolution que un replicador ruidoso y fugado estaba destruyendo a la raza humana .
  • En 2004, General Dynamics completó un estudio para el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA. Dicho estudio concluyó que la complejidad del desarrollo era equivalente a la de un Pentium 4 y promovió un diseño basado en autómatas celulares.
  • En 2004, Robert Freitas y Ralph Merkle publicaron la primera revisión exhaustiva del campo de la autorreplicación en su libro Kinematic Self-Replicating Machines , que incluye más de 3000 referencias bibliográficas.
  • En 2005, Adrian Bowyer, de la Universidad de Bath, inició el proyecto RepRap para desarrollar una máquina de prototipado rápido capaz de autorreplicarse, lo que permitiría que dichas máquinas fueran lo suficientemente económicas como para que la gente pudiera comprarlas y usarlas en sus hogares. El proyecto publica su material bajo la licencia GNU GPL .
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