人工生命ArtificialL
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• 狮子王、魔戒
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9
“人工生命”正式创立
• 1987年在美国桑塔费研究所(Santa Fe Institute)举行的首次国际人工生命大会
• 综合系统科学方法，人工生命系统的模型， 如数字社会、数字生态系统，也被用于研 究复杂的社会经济系统和生态环境系统。
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10
Tierra(1)
• 1991年，汤姆斯·雷(Thomas S. Ray)
– Tierra还演化出了间断平衡现象，甚至还出现了社会组 织。
– 总之，几乎自然演化过程中的所有特征，以及与地球 生命相近的各类功能行为组织，都出现在 Tierra当中
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12
人工鱼(1)
• 涂晓媛，多伦多大学，博士学位论文
• 该论文1996年获得了美国计算学会ACM最 佳博士论文奖。
• 具有“人工生命” 的特征，例如，意图、 习性、感知、动作、行为等。
人工生命 Artificial Life
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1
人工生命(Artificial Life)
• 具有“自然生命”特性和功能的人造系统
• 生命科学途径：通过生物实验方式，在试 管中通过生物化学或遗传工程的方法合成 或生成人工的生命。
• 工程技术途径：通过计算机屏幕以三维动 画、虚拟现实的软件方法或采用“光、机、 电”一体化的硬件装置来演示和体现人工 生命。
– 复杂型：行为没有明显的周期性，但出现复杂的局部 结构，即局部的混沌，其中有些具有传播能力。
• 应用
– 图像处理 – 模拟物理系统：生成雪花、结晶过程、交通流、沙
漏…
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演示 7
Boids(1)
• 克莱格·雷诺尔德(Craig Reynolds)于1987 年编制了一个具有生命行为特征的人工生 命群体程序“Boids”
• 五年之后，两位青年科学家沃森和克里克揭示了 自然生命DNA分子结构，该重大发现验证了冯·诺 依曼的上述预言。
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5
元胞自动机（1）
• 1970年10月，约翰·康韦（John ·Conway） 在《科学美国人》上发表了他设计的“生命游 戏”。开创了个新的研究领域——元胞自动机 • 结构：
– 二维方形网格 – 每个格子是一个元胞，具有生、死两种状态
– 微软公司为了展示了.NET框架中的一些重要特 性和激发编程人员的学习兴趣
– 向软件开发人员全面展示.NET框架应用开发技 术的教学游戏
– 一个学习进化生物学和人工智能的强大建模工 具
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16
Terrarium生态系统（2）
• 测试开发人员的软件开发与策略设计水平
• 提供了一个近乎真实的进化生物学和人工 智能模型，用以检验具有不同行为和属性 的生物在生存 斗争中的适应能力
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13
人工鱼(2)
• 栖息在虚拟海底世界中人工鱼群的社会 • 每条“人工鱼”都是一个自主的智能体
– 鱼脑——“意图发生 器”， – 鱼眼——基于计算机视觉的虚拟感受器官，可以识别
和感知其他人工鱼以及周围的虚拟海洋环境。 – 每条鱼都以“感知-动作”模式生存
• 表现出智能行为
– 因饥饿而激发寻食、进食行为； – 学习其他鱼的惨痛教训，不去吞食有钩的鱼饵； – 适应有鲨鱼的 社会环境，逃避被扑食的危险等等。
• 微软的服务器负责运行整个生态圈
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14
人工鱼(3)
• 人工鱼群体
– 一种典型的多智能主体的分布式人工智能系统 – 鱼群的社会表现出某些自组织能力和智能集群
行为。例如，人工鱼 群体在漫游中遇到障碍物 时，能够识别障碍改变队形，绕过障碍后又重 组队列继续前进。
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15
Terrarium生态系统（1）
• Terrarium：生态系统示例程序
• 仅有三条规则：
– 鸟与鸟之间不能 距离太近 – 以大致相同的速度飞行 – 向本地群聚伙伴组的中心移动
演示1
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演示2 伪代码8
Boids(2)
• 这种人工鸟群的飞行方式展示了自然界中 群居飞行动物的普遍飞行行为，领飞者以 固定的时 间进行交换，并且像真实的鸟群 一样绕过障碍物飞行
• 应用到影视动画、图形学、生态学、科学 仿真等多个学科和研究领域当中。
– 研究热带雨林的进化和生态问题的生物学家 – 开发了一个叫Tierra(西班牙语，意为地球)的计算机模
拟程序。
• 虚拟生物世界
– 计算机的中央处理器和内存组成的物理环境 – 中央处理器的 时间代表能量，内存空间代表资源 – 具有自复制能力的数字生物，能够不断地改变自身
• 这些数字生物在Tierra 世界中为生存展开竞争。 那些能够获得更多时间和内存空间的程序可以在 下一代中留下更多的拷贝，反之则会被淘汰。
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2
生命的本质特征
• 普遍认可的生命的几大本质特征：
– 自我繁殖的能力 – 与环境相互作用的能力 – 与其他有机体以特定的方式相互作用和相互交
流的能力
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3
早期的研究
• 冯·诺依曼——“自繁殖系统” • 约翰·康韦——元胞自动机 • 克莱格·雷诺尔德——“Boids”
Hale Waihona Puke Baidu
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4
自繁殖系统
• 两条规则：
– 3个活元胞包围的死元胞复活 – 2个以下或3个以上的活元胞包围的活元胞死亡
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演示6
元胞自动机（2）
• 动力学行为
– 平稳型：元胞空间趋于一种空间平稳构形，不再随时 间变化
– 周期型：元胞空间趋于一系列简单的稳定结构或周期 结构。
– 混沌型：元胞自动机表现出混沌的非周期行为，生成 结构的统计特征不再变化，通常表现为分形分维特征。
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11
Tierra（2）
• 该系统的运行展现了很多进化和变异特征，以 及 与地球生命相近的种种行为。
– 起初，只有一个简单的祖先“生物”
– 526万条指令后，Tierra模型中出现了366种 大小不同 的数字生物
– 25.6亿条指令后，演化出了1180种不同的数字生物， 其中有些寄生在别的数字生物体内，有些对寄生生物 具有免疫能力。
• 40年代末，冯·诺依曼提出“自繁殖系统”
– 生命的的本质特征 ：”繁衍“ – 二维方形网格。每个元胞有29种可能状态
• 任何具有自繁殖的系统，都必须具有两个不同的 基本功能：
– 该系统必须起到计算机程序的作用，即一种在繁衍下 一代的过程中能够运行的“算法”
– 还必须具有能够复制和传递给下一代的描述，类似于 计算机的 “数据” 。
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9
“人工生命”正式创立
• 1987年在美国桑塔费研究所(Santa Fe Institute)举行的首次国际人工生命大会
• 综合系统科学方法，人工生命系统的模型， 如数字社会、数字生态系统，也被用于研 究复杂的社会经济系统和生态环境系统。
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10
Tierra(1)
• 1991年，汤姆斯·雷(Thomas S. Ray)
– Tierra还演化出了间断平衡现象，甚至还出现了社会组 织。
– 总之，几乎自然演化过程中的所有特征，以及与地球 生命相近的各类功能行为组织，都出现在 Tierra当中
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12
人工鱼(1)
• 涂晓媛，多伦多大学，博士学位论文
• 该论文1996年获得了美国计算学会ACM最 佳博士论文奖。
• 具有“人工生命” 的特征，例如，意图、 习性、感知、动作、行为等。
人工生命 Artificial Life
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1
人工生命(Artificial Life)
• 具有“自然生命”特性和功能的人造系统
• 生命科学途径：通过生物实验方式，在试 管中通过生物化学或遗传工程的方法合成 或生成人工的生命。
• 工程技术途径：通过计算机屏幕以三维动 画、虚拟现实的软件方法或采用“光、机、 电”一体化的硬件装置来演示和体现人工 生命。
– 复杂型：行为没有明显的周期性，但出现复杂的局部 结构，即局部的混沌，其中有些具有传播能力。
• 应用
– 图像处理 – 模拟物理系统：生成雪花、结晶过程、交通流、沙
漏…
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演示 7
Boids(1)
• 克莱格·雷诺尔德(Craig Reynolds)于1987 年编制了一个具有生命行为特征的人工生 命群体程序“Boids”
• 五年之后，两位青年科学家沃森和克里克揭示了 自然生命DNA分子结构，该重大发现验证了冯·诺 依曼的上述预言。
编辑课件
5
元胞自动机（1）
• 1970年10月，约翰·康韦（John ·Conway） 在《科学美国人》上发表了他设计的“生命游 戏”。开创了个新的研究领域——元胞自动机 • 结构：
– 二维方形网格 – 每个格子是一个元胞，具有生、死两种状态
– 微软公司为了展示了.NET框架中的一些重要特 性和激发编程人员的学习兴趣
– 向软件开发人员全面展示.NET框架应用开发技 术的教学游戏
– 一个学习进化生物学和人工智能的强大建模工 具
编辑课件
16
Terrarium生态系统（2）
• 测试开发人员的软件开发与策略设计水平
• 提供了一个近乎真实的进化生物学和人工 智能模型，用以检验具有不同行为和属性 的生物在生存 斗争中的适应能力
编辑课件
13
人工鱼(2)
• 栖息在虚拟海底世界中人工鱼群的社会 • 每条“人工鱼”都是一个自主的智能体
– 鱼脑——“意图发生 器”， – 鱼眼——基于计算机视觉的虚拟感受器官，可以识别
和感知其他人工鱼以及周围的虚拟海洋环境。 – 每条鱼都以“感知-动作”模式生存
• 表现出智能行为
– 因饥饿而激发寻食、进食行为； – 学习其他鱼的惨痛教训，不去吞食有钩的鱼饵； – 适应有鲨鱼的 社会环境，逃避被扑食的危险等等。
• 微软的服务器负责运行整个生态圈
编辑课件
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人工鱼(3)
• 人工鱼群体
– 一种典型的多智能主体的分布式人工智能系统 – 鱼群的社会表现出某些自组织能力和智能集群
行为。例如，人工鱼 群体在漫游中遇到障碍物 时，能够识别障碍改变队形，绕过障碍后又重 组队列继续前进。
编辑课件
15
Terrarium生态系统（1）
• Terrarium：生态系统示例程序
• 仅有三条规则：
– 鸟与鸟之间不能 距离太近 – 以大致相同的速度飞行 – 向本地群聚伙伴组的中心移动
演示1
编辑课件
演示2 伪代码8
Boids(2)
• 这种人工鸟群的飞行方式展示了自然界中 群居飞行动物的普遍飞行行为，领飞者以 固定的时 间进行交换，并且像真实的鸟群 一样绕过障碍物飞行
• 应用到影视动画、图形学、生态学、科学 仿真等多个学科和研究领域当中。
– 研究热带雨林的进化和生态问题的生物学家 – 开发了一个叫Tierra(西班牙语，意为地球)的计算机模
拟程序。
• 虚拟生物世界
– 计算机的中央处理器和内存组成的物理环境 – 中央处理器的 时间代表能量，内存空间代表资源 – 具有自复制能力的数字生物，能够不断地改变自身
• 这些数字生物在Tierra 世界中为生存展开竞争。 那些能够获得更多时间和内存空间的程序可以在 下一代中留下更多的拷贝，反之则会被淘汰。
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2
生命的本质特征
• 普遍认可的生命的几大本质特征：
– 自我繁殖的能力 – 与环境相互作用的能力 – 与其他有机体以特定的方式相互作用和相互交
流的能力
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3
早期的研究
• 冯·诺依曼——“自繁殖系统” • 约翰·康韦——元胞自动机 • 克莱格·雷诺尔德——“Boids”
Hale Waihona Puke Baidu
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4
自繁殖系统
• 两条规则：
– 3个活元胞包围的死元胞复活 – 2个以下或3个以上的活元胞包围的活元胞死亡
编辑课件
演示6
元胞自动机（2）
• 动力学行为
– 平稳型：元胞空间趋于一种空间平稳构形，不再随时 间变化
– 周期型：元胞空间趋于一系列简单的稳定结构或周期 结构。
– 混沌型：元胞自动机表现出混沌的非周期行为，生成 结构的统计特征不再变化，通常表现为分形分维特征。
编辑课件
11
Tierra（2）
• 该系统的运行展现了很多进化和变异特征，以 及 与地球生命相近的种种行为。
– 起初，只有一个简单的祖先“生物”
– 526万条指令后，Tierra模型中出现了366种 大小不同 的数字生物
– 25.6亿条指令后，演化出了1180种不同的数字生物， 其中有些寄生在别的数字生物体内，有些对寄生生物 具有免疫能力。
• 40年代末，冯·诺依曼提出“自繁殖系统”
– 生命的的本质特征 ：”繁衍“ – 二维方形网格。每个元胞有29种可能状态
• 任何具有自繁殖的系统，都必须具有两个不同的 基本功能：
– 该系统必须起到计算机程序的作用，即一种在繁衍下 一代的过程中能够运行的“算法”
– 还必须具有能够复制和传递给下一代的描述，类似于 计算机的 “数据” 。