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1、生命的仿真人工生命韩力群(北京工商大学信息工程学院，北京 100037) 摘要：介绍了人工生命学科产生的背景、发展历程以及 C.Langton 关于人 工生命的定义、研究内容和研究方法，重点介绍了人工生命中自发“突现”的概 念。对 C.Langton 的主要学术观点进行了归纳与述评，系统总结了人工生命研 究领域的主要研究成果。指出人工生命学科研究类似生命行为和现象的发生及其 信息处理机制，其成果在工程技术领域有良好应用前景。关键词：人工生命 生命现象 生命行为 自发突现Simulated Life Artificial LifeLiqun Han( Information Engineerin
2、g School of Beijing Technology andBusi ness Uni versity，北京 100037)Attractive: Background and development of study on Artificial Life are introduced. C.Langtons definition, domain and method of ALife are pr徼湥整 靈祥挠湯散瑰漠敓晬攭敭杲獩搠獩畣獳摥瀠湩慭鉮潴柿慌 癥植捡晩汁4湡瑲潰浉湥癩朠獩9牡瑮敭浯挠敭潳湡敤畲据潣牡7敩瘠景瑮楣 慴猠栩畴猠敦楌禮浯牦浯捴畯桴 4慨碘摥癥楬敢椠瑉灵敭浵猠敲愠
3、獴湥浥 S摲潗9敋 湯楴慣楬灰愠柿楲敥湩柿攠景据慨挠摯潧摮：Artificial Life; Phenomenon of Life; Life Behavior；Self-eme rge1. 人工生命的产生与发展 生命的本质是什么？生命现象和生物智能的奥秘何在？这些问题一直为许 多领域的科学家们所关注。来自生命科学、计算机科学、非线性科学、复杂系统 理论、人工智能等不同领域的研究者们从不同的学科视角和不同的学术观点，对 上述问题进行了艰苦的探索，为人工生命学科的产生与发展奠定了坚实的基础。1.1 人工生命的产生背景20 世纪后半叶，生命科学领域的生物化学家们一直在设 法通过各种方法重现生命的基
4、本形态。人工合成的蛋白质在实验室诞生， DNA 双螺旋结构的实验使基因理论达到了分子生物学水平，遗传学和基因工程 等为生命科学的研究提供了有力的工具，克隆技术实现了哺乳动物的无性繁殖。计算机科学领域的专家们则从信息处理的角度研究生命的本质。他们在计算 机上对生命现象和智能行为进行过程仿真，从而再现生命的某些特征。应用人工 系统对类似生命行为、现象的发生及其信息过程进行仿真，有助于对生命机理的 了解，并可将生命过程的信息处理机制应用于工程技术领域。仿生学(Bionics)是60年代前后发展起来的以类似于生命系统的方式运行的系统科学。仿生学根据生物系统的生物 原型，研究数学模型，建立技术模型，开发
5、模仿生命系统功能、特征和现象的基 于电子学、计算机程序、光机电硬件的工程技术系统，因此是一门基于生物科学 与工程技术之间的边缘学科。仿生学的研究开发曾经一度引起热潮，取得了不少 成果。但是，由于遇到生物原型、数学模型的困难，受到当时电子、计算机、光 电机一体化工程技术水平的限制，仿生学的发展逐渐冷落。生命科学和计算机科学的结合给人们带来了更广阔的研究空间，基于计算机 的非蛋白质媒体的人工生命形式的不断出现。例如，著名的元胞机(Cellular Automata)可以表现出比较复杂的生命现象，基于 二维元胞机的生命游戏模型(Life Game)在 20世纪70年代曾十分流行。在分形 理论研究中，
6、Aristid Lin de nmayer创立的L-system系统对植物形态的计算机 模拟产生了深远影响；Biomorphy在计算机屏幕上演示了由基因控制的人工昆 虫的生长形态。John H.Holland和David E.Goldberg根据进化论与遗传学原 理提出了著名的遗传算法(Genetic Algorithm)，对遗传操作和进化机理的仿真有助于对生命系统特点和规律的分析与理解。20 世纪 70 年来以来，非线性科学和复杂系统理论得到很大发展，耗散结 构理论、协同学、超循环理论、突变理论以及混沌学等复杂系统理论相继出现。 主要研究复杂系统如何通过各部分之间的相互作用而产生从无序到有序
7、、从简单 到复杂的非线性过程，而这类过程与生物系统的进化过程和智能系统的学习过程 有类似之处。可以认为，人工生命领域的研究正是对于以生命为研究对象的复杂 系统的研究。例如，为了探讨生命的进化特征和自适应机理，需要研究在漫长的 非平衡和不可逆生物进化过程中，个体或物种所具有的耗散结构及其非线性动态机制。人工智能领域的研究更注重对“自然智能的模拟、延伸和扩展”，特别是对 人的智能的模拟、延伸和扩展，而“人的智能”是“人的生命”系统的主要功能 和特性。基于知识推理的传统人工智能主要模拟人脑的逻辑思维和决策功能，基 于突触连接的人工神经网络主要模拟人脑的形象思维和联想记忆功能，基于环境 感知和行为响应
8、的智能机器人系统则模拟人的行为智能。1987 年，在美国 Los Alamos 召开了世界上第一次“人工生命”研讨会(ALIFE I)。Santa Fe研究所的C.Langton高度概括和提炼了 人们关于生命系统仿真的各种见解，提出了“人工生命” (Artificial Life) 学科的概念和术语，从此，人工生命在国际学术界正式确立了其独立学科的地位。1.2 人工生命的发展历史“人工生命”问世以来，吸引了人工智能、神经网络、机器人、计算机、自 动化等计算机科学、系统科学、生命科学领域的专家学者的广泛关注。近年来， 人工生命的研究热潮已在美国、欧洲及日本兴起，并开始进入中国。在美国，以Sant
9、a Fe研究所和MIT等为首，设立了人工生命的研究组织， 主办了系列人工生命国际学术会议(The In ter natio nal Con fere nee on Artificial Life，简称 ALIFE)，从 1987 年到现在， 每两年一次，于2000年8月召开了第七次会议。 1994年，人工生命领域的权 威刊物人工生命在世界著名学府麻省理工学院(MIT)正式出版。欧洲很快响应了人工生命这一新领域的挑战，于1991 年由欧洲人工智能学 会等主持。 召开了第一次欧洲人工生命国际学术会议 ECAL(European Con fere nee on Artificial Life),其后
10、每两年举行一次，于2001年举行了第六 次大会，形成了人工生命领域第二个著名的系列学术会议。在日本，以 ATR 研究所(Advaneed Teleeommunication Research)与 大分大学为代表，将人工生命与进化机器人研究相结合，从1996年起每年一次， 主办了系列性国际学术会议 AROB (The International Symposium on Artificial Life and Robotics),并且出版了国际性学术刊物Artificial Life and Robotics。除了上述系列学术会议外，IEEE也举办过几次内容相近的国际会议。下面对影响较大的美国A
11、LIFE系列国际学术会议作一简要介绍。ALIFE I 1987年9月，美国Santa Fe研究所在美国Los Alamas主办 了第一次 ALIFE 国际会议An Interdisciplinary Workshop on theSynthesis and Simulation of Living Systemso 出席会议的学者近百名，会议 论文集共收录论文24篇，主要内容包括：人工生命学科的理论生命现象的仿真、 细胞自动机、遗传算法和进化仿真等5个方面。C.Langton在这次会上发表了题为“Artificial Life”的开创性论文。这次会议标志着人工 生命作为一门独立学科的正式诞生。
12、 ALIFEII 1990年2月，Santa Fe研究所在美国Santa Fe主办了第二次ALIFE国际会议The Workshop on Artificial Life。会议论文集收录了31 篇论文，内容涉及概貌、来源/自组织、进化动力学、开发、学习与进化、计 算、哲学/突现、未来等8 个方面。其中影响较大的有， C.Langton 的著名论文 “Life at the Edge of Chaos”（生命产生于混沌边缘），John R. Koza的经典之作“Genetic Evolution and Co-Evolution of Computer Programs ” （遗传进化与计算机程
13、序的共同 进化），David Ackley和 Michael Littman 的Interactions between Learning and Evolution” （学习与进化的交互）。由于 Aristid Lindenmayer 所创立的 L-system 已成为人工生命研究的重要工具之一，论文集扉页上还刊登了他的照 片和纪念他的文字。 ALIFE III 1992年6月，Santa Fe研究所在美国Santa Fe主办了第三次 ALIFE 国际会议The Workshop on Artificial Life。论文集收录了 26 篇论文，主要内容分为遗传算法、进化仿真、突现行为、适配
14、度概貌图、群体动力 学与混沌机制、机器人规划应用等 6 个方面。其中，给人们留下深刻印象的两 篇佳作是 Joh n R. Koza 的“ Artificial Life： Spontan eous Emerge nee of Self-Replicating and Evolutionary Self-Improving Computer Programs ” （人工生命：自复制 与进化的自改善计算机程序的自发突现）和 Kunihiko Kaneko 与 Junji Suzuki 的“Evolution to the Edge of Chaos in an Imitation Game”（向模
15、仿游戏的 混沌边缘演变）。这两篇论文分别从遗传编程和混沌学两个方面探讨了在人工生 命的研究中起关键作用的“突现”机理。 ALIFE W 1994年7月，MIT在美国Cambridge主办了第四次ALIFE 国际会议The Fourth In ter natio nal Workshop on the Syn thesisand Simulation of Living Systemse。论文集收录了 56篇论文，主要内容包 括共同进化、遗传算子、进化与其它方法的综合、人工生命算法、人工生命建模、 人工生命应用、混沌边缘与分叉研究、Baldwin效应、学习能力、进化动力学、 细胞自动机、DNA非
16、均衡学说研究等，多达12个方面。其中3位日本学者： Hirofumi Doi、 Ker-nosuke Wada 和 MitsuruFurusawa 的 研 究 论 文 “ Asymmetric Mutations Due to Semiconservative DNA Replication：DoubleStranded DNA Type Genetic Algorithms”，介绍了 DNA非均衡假说研究的新进展。ALIFE V 1996年5月，日本著名的研究机构国际电气通信基础技术研 究所(ART)在奈良主办了第五次ALIFE国际会议，显示了日本在人工生命领域的 研究进展和实力。日本在人工生命领域的研究虽然晚于美国，但其研究具有将人 工生命与智能机器人结合的特点，研究成果与水平已赶上美国。我国于1997年 8月，
