| Epistemowikia Revista «Hiperenciclopédica» de Divulgación del Saber Segunda Época, Año VII Vol. 6, Núm. 4: de octubre a diciembre de 2012 (en curso) | Epistemowikia es parte de
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Máquinas Autorreproductoras
De Epistemowikia
Tabla de contenidos |
Introducción
Una definición para la palabra autorreproducción podría ser la capacidad de un portador de información de replicar dichar información y de introducirla en su descencencia. Aplicado a la biología es el proceso por el cual un ser vivo genera otro ser vivo de su misma especie.
El concepto de máquinas autorreproductoras ha sido estudiado por brillantes científicos a lo largo de las últimas décadas, entre los que podemos encontrar al famoso John von Neumann. Von Neumann estudió rigurosamente este concepto de máquinas autorreplicantes a las que puso por nombre Universal Assemblers. Este tipo de máquinas se basan en los llamados autómatas celulares, es decir, están diseñadas a partir de un conjunto masivo de objetos más simples que interactúan unos con otros. Los constructores universales de Von Neumann fueron ideados en la década de los 40 y los detalles técnicos fueron publicados en su libro póstumo The theory of self reproducing automata. A. W. Burks (Ed.), Univ. of Illinois Press (1966).
Una máquina autorreproductora tiene que tener la capacidad de conseguir energía y materias primas para fabricar nuevos componentes. También debe tener la capacidad de poder ensamblar dichos componentes y crear una copia de sí mismo. La máquina no tiene porqué ser monolítica, es decir, pueder estar formada por varias máquinas cada una de las cuales con una función diferente. La ventaja más significativa del uso de máquinas autorreplicantes radica en que sólo hay que hacer el esfuerzo inicial de crear la primera máquina, ya que el resto del trabajo lo realizarían esta primera máquina y su descendencia.
Autómatas celulares teóricos
Máquina de Turing
Es un modelo formal de computador ideado por Alan Turing que demuestra que existen problemas que una máquina no puede resolver. Este modelo fue introducido por Turing en su trabajo On computable numbers, with an application to the Entscheidungsproblem a raíz de la cuestión planteada por David Hilbert sobre si hay un método que pueda aplicarse a cualquier sentencia matemática y que nos diga si es cierta o no. Esta máquina está formada por una cabeza lectora/escritora y una cinta de información infinita. A partir de la información leída de la cinta y del estado actual de la máquina se obtiene el nuevo estado, el valor y la dirección en la que hay que mover el cabezal.
Fábricas vivas flotantes (Edward F. Moore)
La idea de Moore consiste en crear fábricas flotantes impulsadas mediante retropropulsión por extremidades similares a las de un calamar. Estas fábricas obtendrían la energía de su entorno, al igual que lo hacen la plantas. Dicha energía se utilizaría en la construcción de elementos simples, los cuales serían ensamblados para crear máquinas similares a la propia fábrica.
Red infinita (Stanislaw Ulam)
El automáta celular de Ulam consiste en una red infinita en el que cada elemento de la red puede ser visto como una célula, es decir, máquina separadas de estados finitos que actuarían de acuerdo a un conjunto de regas compartidas. En cada paso de tiempo cada celula obtendría información de las células adyacentes y en función de las reglas generales determinaría su nuevo estado.
Autómata autorreproductor (Freeman Dyson)
Dyson propuso crear máquinas autorreproductoras para ser enviadas a Enceladus (una luna de Saturno cubierta de nieve) de donde podrían extraer nieve y llevarla a Marte con el fin de transformar el planeta rojo en un lugar apto para la vida. Estas máquinas se abastecerían de la energía de energía solar.
Otra de sus ideas es la llamada esfera de Dyson, que consiste en envolver a una estrella con máquinas autorreplicantes con el fin de aprovechar al máximo la radiación solar para la obtención de energía. Existen tres tipos de esferas de Dyson. La primera no es exactamente una esfera sino una estructura en forma de nube densa de planetoides orbitando entono a la estrella. La segunda es la más conocida y consiste en un esfera rígida cubriendo totalmente el astro. Y la tercera consiste en la construcción de extensas velas solares estáticas.
Modelo Cinemático (von Neumann)
Es el primer autómata autorreproductor ideado por von Neumann. A parte de los elementos computacionales clasicos constaba también con un elemento de manipulación que aceptaba órdenes del control de la máquina, un elemento de corte para desconectar dos elementos, un elemento de fusión para conectarlos, un elemento sensorial que pudiera reconocer cualquier parte y pudiera llevar información al control de la máquina, y vigas como elementos estructurales. La máquina viviría en su propio hábitat en el que podría encontrar elementos de la misma clase que los que la formaban. Recorrería el lago en busca de piezas hasta crear una nueva máquina a la que trasmitir la información para realizar el mismo proceso. Tenía el gran error de estar formado por demasiadas cajas negras.
Autómata celular (von Neumann)
Lo ideó a partir de la idea de red infinita de Ulam y del modelo cinemático. Al igual que en la red de Ulam, von Neumann utilizó el concepto de célula. En un prinicipio dichas células se encontraban en un estado inactivo, pero sobre ellas von Neumann dibujó una figura con colores los cuales representaban los 29 posibles estados de las células. Esta figura estaba formada por un rectángulo, en el que las células replicaban las funciones de la fábrica, el duplicador y la computadora del modelo cinemático, y una cola que reclamaría y tranformaría nuevas células. Esta estructura autorreproductora interactuaba con las células cercanas convirtiéndolas en materiales que constituían el organismo original.
Fábricas lunares autorreproductoras (NASA)
Varios grupos de investigación asociados a la NASA invesigaron el concepto de máquinas autorreproductoras. Uno de ello, el Self-Replicating Systems (SRS) Concept Team, demostró que la creación de una la máquina autorreproductora era una meta alcanzable, mientras otro, el Mission IV, sugirió que los sistemas autorreproductores deberían tener 5 formas de conducta mecánica: producción, desarrollo, reproducción, evolución y autorreparación.
El primer diseño de la NASA consistía en una fábrica autorreproductora de propósito general y autónoma que podría ser desplegada sobre la superficie de lunas (autómata cinemático). Conseguiría los materiales crudos por minería, mientras que excavadoras, cargadores y vehículos de transporte controlados desde el centro de mando realización su trabajo funcionando como extremidades. Los elementos excavados serían analizados, ordenados y enviados al depósito de materiales, desde donde se enviarían a la planta de producción de partes, que crearía componentes a partir tanto del producto de salida como de los productos resultantes. Estos componentes serían enviados al depósito de partes y participarían en el proceso de producción.
El segundo diseño constaba de una semilla esférica de 100 toneladas, en cuyo interior se encontraba un conjunto de robots con tareas específicas. Una vez plantada en el nido lunar adecuado, el huevo se abría y su cargamento de robots emergería.
Estos autómatas no estarían limitados al Sistema Solar como se podría pensar en un principio, sino que dado que las semillas no llevan seres vivos, los largos períodos requeridos para cubrir las vastas distancias interestelares serían irrelevantes. El grupo Mission IV anotaba con toda calma que 'las pruebas reproductivas pueden permitir la investigación directa del millón de estrellas más cercanas en aproximadamente 10.000 años, y de la totalidad de la galaxia de la Vía Láctea en menos de 10.000.000 años, todo ello iniciado por la humanidad con sólo una inversión total de una simple nave exploratoria autorreproductora'. Por este motivo de expasión y reproducción estas máquinas podrían ser vistas como organismos vivos.
Nanorrobots
Introducción
La nanorrobótica es la rama de la robótica que se encarga de la creación y diseño de robots a escala nanométrica. Desde otro punto de vista los nanorrobots son aquellos que son capaces de manipular objetos con una resolución nanométrica. En la actualidad no existen todavía robots de estas características, por lo tanto todo lo concerniente a esta tecnología es hipotético. Teniendo en cuenta estas dos definiciones puede aceptarse como nanorrobot a un microscopio atómico o un robot de tamaño normal que pueda moverse con precisión nanométrica.
Futuro
En un futuro cercano los nanorrobots, robots formados por millones de moléculas, existirán como consecuencia de los avances en genética-nanotecnología-robótica (GNR). La nanotecnología estudia los objetos de tamaño nanométrico (1 nanómetro es la mil millonésima parte de 1 metro) y permite manipular los átomos uno a uno para formar distintas configuraciones y hacerlos reaccionar para formar compuestos moleculares con propiedades y funciones preestablecidas.
A lo largo de la historia las especies animales han tenido que luchar para sobrevivir en un entorno en el que debían compartir recursos con otras especies, saliendo adelante aquélla cuyos individuos son más competitivos y tienen más capacidad de adaptación. El "Homo Sapiens" es la raza por excelencia más destructora y explotadora de los recursos que tiene a su alrededor, incluso llegando a explotar a los de su misma raza en beneficio propio. Sin embargo no existe ninguna diferencia en cuanto a inteligencia entre unos y otros, sino más bien que la diferencia se encuentra en el uso y conocimiento de herramientas y de tecnología. Debido a esta necesidad imperiosa de conseguir adelantos científicos para poder seguir siendo el controlador y no el controlado, se está empezando a vislumbrar un salto en los avances técnicos que permitirían la integración de grandes cantidades de información en minúsculas memorias. Este hecho supone incrementar la capacidad intelectual, en términos de inteligencia artificial, de un ordenador, es decir, podría aumentar su capacidad de decisión.
La compactación de que hemos hablado nos ha servido de momento para aumentar el "cerebro" del ordenador, pero ¿qué pasa con el cuerpo? Los avances en la nanotecnología están dando sus frutos y en los últimos años estamos asistiendo a la integración de la biología y la nanotecnología. Por ejemplo, se está experimentando con nanorrobots, con una información interior similar y más simple que el ADN, capaces de autorreplicarse y autoensamblarse.
La situación será pues la existencia de un numero enorme de nanorrobots dotados con sistemas informáticos de gran memoria y, a la vez, suficiente capacidad operativa para poder tomar por sí mismos decisiones complejas distribuidos por todos los campos de actividad de la sociedad. Será un sistema caótico en donde nosotros seremos observadores de sus interacciones y dependeremos de sus decisiones.
Naturalmente se presentan nuevos y serios problemas: ¿cómo y de qué se alimentarán los nanorrobots? ¿Qué fuente de energía van a utilizar? ¿Cómo disipar el calor producido? Son problemas serios que necesitan de nuevas soluciones, que vendrán propulsados por ambición científica y la perspectiva de unos beneficios empresariales astronómicos.
Inteligencia artificial y cibernética
Introducción
Aunque la investigación en Sistemas Complejos y en Vida Artificial suele parecer una novedad son líneas de investigación oficialmente cerradas desde los años 60. La excepción fueron problemas de caracterización del comportamiento caótico en sistemas de ecuaciones no lineales.
El problema de que las enseñanzas en el campo de la informática estuvieron apartadas históricamente de los conceptos de la cibernética hizo que la propuesta para una teoría general de sistemas de von Bertalanfy y la cibernética de Wiener no fuesen adoptadas por ninguna rama científica.
La cibernética según Gregory Bateson es "la rama de las matemáticas que se encarga de los problemas de control, recursividad e información", y según Stafford Beer es "la ciencia de la organización efectiva". La palabra cibernética proviene del griego y significa "arte de pilotar un navío". Podemos definir a la cibernética como una ciencia interdisplinaria que trata sobre los sitemas de control y comunicación basados en la retroalimentación.
Por otra parte la teoría general de sistemas trata de encontrar propiedades comunes a los sistemas que están presentes en todos lo niveles de la realidad, aunquen pertenecencan a disciplinas académicas diferentes. Así, especialidades como la cibernética, la teoría de la información, la teoría de juegos, teoría del caos o la teoría de catástrofes, constituyen campos de estudio de la teoría general de sistemas.
Hacia la Inteligencia Artificial
El problema propuesto por Hilbert, en el que buscaba qué clase de problemas pueden resolverse mediante formulaciones constructivas por procedimientos algorítmicos, y cuáles eran los límites, derivó en una informática teórica en las primeras décadas del siglo XX. Se considera a Kurt Gödel como el verdadero padre de la informática teórica. Fue él quien demostró la validez del cálculo lógico de primer orden (teorema de "completitud" de la lógica). Pero el resultado más importante de Gödel es el de "incompletitud" de la aritmética, por el que establece que la formalización de la aritmética en la lógica de primer orden hace que existan sentencias ciertas que no son demostrables. Por ejemplo la frase: "esta frase es falsa". Si suponemos que es falsa, la frase es cierta, y si suponemos que es cierta, la frase es falsa. Debido a esto cualquier demostrador automático de teoremas que construyamos se encontrará con la posibilidad de demostraciones de longitud infinita, sin tener ningún criterio que le permita decidir cuándo parar. Por lo tanto, se conocía ya el límite de lo computable antes de que se construyeran los primeros ordenadores. Posteriormente, se comprobó que cualquier formalización de la aritmética distinta de la lógica tenía el mismo límite: la paradoja. En la década de los 30 se llegó a la misma conclusión desde una aproximación basada en funciones (Alonzo Church), y mediante funciones p-recursivas (Kleene). Pero la noción más aceptada de procedimiento efectivo de cómputo fue la propuesta por el inglés Alan Turing en 1936 (máquina de Turing), que también mostró la misma limitación que el resto de los modelos. Se establece así la Teoría de la Computabilidad, base de la Informática Teórica. Pocos años después se abordó en el contexto de la II Guerra Mundial la construcción de los primeros ordenadores. Con ellos a todas las ciencias, y en especial a las ciencias humanas, se les abrió la posibilidad de su formalización. Estudios lingüísticos y psicológicos se vieron enormemente potenciados por el uso del ordenador. La psicología tuvo en los ordenadores un medio en el que reproducir los fenómenos de la inteligencia humana, las capacidades del lenguaje y de realizar operaciones lógico-matemáticas. A este paso se le considera el embrión de la Inteligencia Artificial. El llamado "Test de Turing", que acerca de la posibilidad de modelar las capacidades de razonamiento y lenguaje en un medio computacional, viene a decir que si en la interacción entre una máquina y una persona no se puede distinguir a una y a otra, entonces habrá que admitir la inteligencia de la máquina. Se abre así un intenso debate acerca la posibilidad de modelar la inteligencia y la mente, y de probar empíricamente las capacidades del modelo.
Christopher Langton
Langton propuso el análogo al test de Turing en la vida artificial, cuya principal relación es la de asentar la base de la vida artificial en la informática teórica. Langton realiza su trabajo siguiendo dos caminos. El primero se apoya en la caracterización de la dinámica cualitativa de los autómatas celulares, determinando qué comportamientos emergentes son interesantes para la vida artificial, investigando las condiciones que cumplen las reglas locales que los producen y proponiendo criterios para establecer una noción de cómputo específica para los comportamientos emergentes complejos. El segundo va encaminado a la creación de máquinas auto-replicativas, a la investigación de sus características y configuraciones posibles.
Basándose en el trabajo de Wolfram caracterizó "la vida al borde del caos". Por un lado estarían los cómputos de los autómatas celulares que alcanzan puntos fijos o periódicos en pocos pasos. En el otro extremo, aquellos cómputos totalmente caóticos, que no dan lugar a ningún tipo de forma perceptible. Entre ambos, estarían los comportamientos complejos, que dan lugar a formas complejas, de aspecto fractal, que convergen en periodos largos, pero que presentan subciclos de cómputo con pequeñas variaciones a lo largo de su evolución. La dinámica cualitativa de los autómatas celulares la establece en base a un parámetro:
donde k es el número de estados, n el número de k�?k�?k células en el entorno y nq el número de entornos de estados N(i) que producen con la transición el estado quiescente. En lo que respecta al primero de los caminos, explorando los resultados más detenidamente, Lagton encontró la característica más importante de los autómatas que muestran comportamientos complejos. En estos, entre las distintas células, la información mutua es significativamente alta, mientras que es baja en comportamientos fijos o caóticos. En cuanto a las configuraciones de las máquinas auto-reproductivas, la máquina auto-replicativa de Von Neumann, requería de un autómata celular que tenga sobre la máquina de Turing ciertos datos en la cinta, realice las operaciones necesarias para copiar dicha máquina en otro segmento del array, y así sucesivamente. No se trata de un programa que dirija la copia, sino de una configuración tal que consiga la replicación.
Roger Penrose
Nació en Inglaterra el 8 de Agosto de 1931, hijo del científico Lionel S. Penrose y de Margaret Leathes, y hermano del matemático Oliver Penrose y el ajedrecista Jonathan Penrose. Físico y matemático, profesor Emérito de Matemáticas en la Universidad de Oxford. Algunas de sus contribuciones importantes fueron sobre relatividad general y cosmología (agujeros negros, finitud del espacio tiempo, etc.). Ha sido distinguido, entre otros galardones, con el Premio Albert Einstein, con el Wolf Prize (junto a Stephen W. Hawking), y con la medalla de la Royal Society. Su libro La nueva mente del emperador se convirtió en "best-seller".
Logros destacados
En su época de estudiante, en el libro A Generalizated Inverse for Matrices, describió la inversa Moore – Penrose, reinventando así la inversa generalizada (1955). Mediante la tesis "Métodos tensores en la geometría algebraica" obtuvo el Doctorado en Cambridge, bajo la supervisión del conocido algebrista y geómetra John A. Todd (1958). Hasta hoy día, Roger Penrose a participado en una gran cantidad de estudios, de los que comentamos los más destacados a continuación. • Junto al físico Stephen Hawking probó que las singularidades pueden formarse a partir del colapso de inmensas estrellas moribundas. (Cambridge 1956). • Inventó la teoría de twistores, que mapea objetos geométricos de un espacio de Minkowski, en un espacio complejo de cuatro dimensiones con la signatura métrica (1967). • Formuló la hipótesis débil de la censura, conocida entonces como hipótesis de censura cósmica, la cual propone, informalmente, como el universo nos protege de la inherente impredictibilidad de las singularidades (como los agujeros negros) ocultándolos de la vista (1969). • Una de sus contribuciones más importantes fue la invención de las redes de espín, que posteriormente formó la geometría del espacio tiempo en un bucle gravitónico cuántico (1971). • Descubrió los llamados teselados de Penrose, formados por dos teselas que sólo pueden teselar el plano de forma aperiódica (1974). • Años más tarde presenta una versión más firme de la hipótesis del 69, la hipótesis fuerte de la censura (1979). • Encontró patrones similares en la organización de átomos de cuasicristales (1984). • El libro El camino a la realidad: Una guía completa a las leyes del universo pretende ser una guía general sobre las leyes de la física (2004).
Su teoría de la mente
Sugiere que la actividad mental es descrita por ciertas leyes físicas, aún no descubiertas de la naturaleza, que no son computables. Para ello se baso en el teorema de la incompletitud de Gödel que implica que la indemostrabilidad formal de una cierta proposición matemática es señal de que de hecho es verdad. Además sugiere como dos entidades separables a la mente y al cerebro. Sus conclusiones son que ninguna máquina de computación podrá ser, alguna vez, inteligente como un ser humano, es decir, que las computadoras (sistemas de instrucciones secuenciadas) nunca tendrán la capacidad de comprender y encontrar verdades que los humanos poseen. En una de sus últimas entrevistas concedidas, en el número 74 de la revista "Lateral" dice: "La conciencia parece ser un fenómeno tan diferente de otros fenómenos perceptibles en el mundo físico que debe de ser algo muy especial. En cuanto a su organización física, puedo discernir con claridad que se trata de las ideas tradicionales de la Física organizadas en sistemas más complejos. Pero tiene que haber algo más, algo cuya naturaleza sea completamente diferente de las otras cosas que son importantes en la forma en la que funciona el mundo. Algo que aunque se use sólo ocasionalmente, tenga una organización tan refinada que se aproveche de la reducción de estados y la canalice con el objetivo de hacernos funcionar, pero que muy raramente se aproveche en los fenómenos físicos de manera útil.".
Bibliografía
Roger Penrose, La Mente Nueva del Emperador, Mondadori, 1991, ISBN 84-397-1786-5.
Roger Penrose, Stephen Hawking, Cuestiones cuánticas y cosmológicas, Alianza Editorial, 1995, ISBN 8420627569.
Roger Penrose, Las sombras de la mente: hacia una compresión científica de la consciencia, Editorial Crítica, 1996, ISBN 84-7423-771-8.
Roger Penrose, La naturaleza del espacio y el tiempo, Editorial Debate, 1996, ISBN 84-8306-032-9.
Roger Penrose, Abner Shimony, Nancy Cartwright, Stephen Hawking, Malcolm Longair, Lo grande, lo pequeño y la mente humana, Cambridge University Press, 1999. ISBN 848323047X.
Roger Penrose, en prólogo de Einstein 1905. Un año milagroso, Planeta, 2004, ISBN 84-8432-215-7.
Últimos proyectos
En la Conferencia Europea sobre Inteligencia Artificial que fue celebrada en Septiembre de 2003 en Dortmund, Hod Lipson y Bryant Adams discutieron sobre las diferencias entre "autorreplicación" y "autorreproducción", y sobre las condiciones ambientales necesarias en estos procesos. Hasta el momento los investigadores habían conseguido la auto-reproducción en dos dimensiones, con pequeñas baldosas de madera. En la Universidad de Cornell de Ithaca (E.E.U.U.) se ha creado el primer robot con la capacidad de reproducirse, o más concretamente de auto-replicarse. Hod Lipson y sus colaboradores informaron del trabajo en una comunicación breve a la revista "Nature", publicada en su ejemplar del 12 de Mayo de 2005. Un robot esta formado por varios cubos llamados "molecubes", estos cubos de 10 centímetros de lado tienen la capacidad mecánica de doblarse a lo largo de su sección diagonal, cada uno de ellos tiene el software necesario para la reproducción. Para conectarse los cubos entre si utilizan electroimanes en las caras que son activados y desactivados según convenga. Además tienen ciertas conexiones por las que se pasan cierta información necesaria para el proceso. Para realizar el proceso es necesario que el sistema aporte más cubos para poder formar el nuevo robot, son la materia prima propiamente dicha. En el proceso, el robot se dobla en ángulo recto para primero doblarse en dos, y luego ir cogiendo los nuevos cubos para formar dos robots idénticos al original. Por ejemplo, el robot compuesto de varios cubos puede doblarse hasta tocar el suelo para recoger otro cubo y volver a levantarse. El sistema no realiza otra cosa distinta de su propia replicación, además es dependiente del ambiente y más concretamente de la superficie sobre la que se realice. En la naturaleza la reproducción depende en un alto grado del ambiente. Nunca podrá sobrepasar la altura del robot original, ya que sólo realiza copias exactas. En un tiempo aproximado de dos minutos y medio, un robot de cuatro cubos es capaz de duplicarse.
Lipson sugiere que esta tecnología podría ser utilizada para proporcionar, a ciertos robots, la capacidad de auto repararse, es decir, tener la capacidad de cambiar uno de sus dispositivos o módulos defectuosos por otro nuevo. Robots trabajadores usados en entornos hostiles para el ser humano y en viajes espaciales, en definitiva, en lugares donde un ser humano no podría repararlo, en caso de avería, con la consecuente pérdida del equipo, datos, etc. Las declaraciones finales de los investigadores fueron: "Aunque las máquinas que hemos creado son aún simples comparadas con la auto-reproducción biológica, demuestran que la auto-reproducción mecánica es posible, y no exclusiva de la biología".
Autores
Luque Jánez, Aquila
Tello Villa, Luis G.
Ingeniería Informática - Lógica y Computabilidad 2005/2006
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