人工生命.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,4,章,计算智能的仿生技术,(4),人工生命,4.4,人工生命,4.4.1,人工生命概述,4.4.2,人工生命的研究内容和方法,4.4.3,人工生命实例,4.4.4,人工生命的实验系统,4.4.1,人工生命概述,兰顿（,Langton,）给出了,“,人工生命,(artificial life,，,AL),”,的定义：人工生命是研究能够展示自然生命系统行为特征的人造系统。,人工生命的许多早期研究工作源于人工智能。,20,世纪,60,年代，罗森布拉特（,Rosenblate,）研究 了感知机神经网络；斯塔尔,(Stahl),建立了细胞活动模型；,20,世纪,80,年代，人工生命的研究逐渐兴起,。,自然生命的共同特征和现象,具有交配繁衍、遗传变异、优胜劣汰的自繁殖、自进化、自寻优的功能和特征。,具有新陈代谢的自成长、自学习、自组织的过程和性能。,具,有稳定内部状态、适应外部环境、动态协调平衡的自稳定、自适应、自协调的功能和特性。,具,有能量转换的生物物理和生物化学反应过程。,具,有相应的信息获取、传递、处理和利用过程。,凡是具有上述自然生命和（或）特征的人造系统，都可称为人工生命。,4.4.2,人工生命的研究内容和方法,1.,人工生命的研究内容,人工生命的研究内容大致可分为两类：,(1),构成生物体的内部系统，包括脑、神经系统、内分泌系统、免疫系统、遗传系统、酶系统、代谢系统等。,(2),生物体及其群体的外部系统，包括环境适应系统和遗传进化系统等。,2.,人工生命的研究方法,(1),信息模型法。根据内部和外部系统所表现生命行为来建造信息模型。,(2),工作原理法。生命行为所显示的自律分散和非线性行为，其工作原理是混沌和分形,以此为基础研究人工生命的机理。,例如，人工神经网络是生物内部系统的模型系统，而遗传算法是外部系统的模型系统。,3,人工生命的研究策略,(1),采用以计算机等硬件生成生命行为：一种是实现具有人工生命行为的系统。另一种是用生物器件构造生命系统。这些都称为生物计算机。,(2),用计算机仿真，研究开发显示生命体特征行为的模型软件。神经网络系统和遗传算法等，都是采用信息数学模型，模拟人工生命的生成。,(3),利用计算机仿真生成生命体。生命现象的基础是随物理熵的增大而杂乱无章。生成这种现象的原理是混沌和分形，耗散结构，协同反应等。,(4),通过计算机仿真，分析生命特有的行为生成，建立新的理论。,人工生命研究的基础理论是细胞自动机理论、形态形成理论、混沌理论、遗传理论等。,4.4.3,人工生命实例,1.,计算机病毒,计算机病毒,(computer virus),提供了人工生命生动的例子，计算机病毒具有繁殖、机体集成、不可预见性等生命系统的固有特征。,计算机病毒的病理机制与人体感染细菌和病毒病理现象十分相似。它能通过修改或自我复制向其他程序扩散（传染），进而扰乱系统及用户程序的正常运行，引起计算机程序的错误操作或使计算机内存乱码，甚至使计算机瘫痪。,计算机病毒通常由三部分组成：引导模块、传染模块和表现模块（破坏模块）。,计算机病毒的破坏过程是：,开始前病毒程序寄生在介质上的某个程序中,处于静止状态，一旦带病毒程序被引导或调用时，,引导模块,就被激活，变成有感染力的动态病毒。,当传染条件满足，,传染模块,将病毒就侵入内存，随着作业进程的发展，它逐步（有时很快地）向其他作业模块扩散，并传染给其他软件对象上。,在破坏条件满足时，就由,表现模块（破坏模块,）把病毒以特定的方式表现出来，实现病毒的破坏作用：,如删除文件、格式化硬盘、显示或发声等。,计算机病毒隐藏在合法的可执行程序或数据文件中，不易被人们察觉和发现，一般总是在运行染有该种病毒的程序前首先运行自己，与合法程序争夺系统的控制权,。,THANK YOU,SUCCESS,2025/1/11 周六,11,可编辑,2.,计算机的进程,进程,(process),是程序的,次执行过程。进程的运行需要使用一定的计算机资源（处理器、内存、各种外部设备等）。,并行程序中的多个进程可以根据需要动态地产生和消亡。换言之，一个进程可以在运行过程中派生出新的进程来。,进程类似于计算机病毒，把进程当作生命体，它在时间空间中可以繁殖，从环境中汲取信息，修改所在的环境。这里应当加以区分，不是说计算机是生命体，是说进程是生命体。,3.,智能机器人,智能机器人,(intelligent robot),是具有人类所特有的某种智能行为的机器。智能机器人有很多性质与生命有关,复杂性、机体集成、受刺激及可移动。,智能机器人是一类具有高适应性的有一定自主能力的机器人。它本身能模拟人或动物的行走、动作，感知工作环境、操作对象及其状态；,能接受、理解人给予的指令；并结合自身认识外界的结果来独立地决定工作规划，实现任务目标；还能适应环境的变化，调整自身行为。,智能机器人分为：,（,1,）自动装配机器人,具有对部件的三维视觉识别和定位，柔顺控制多指手爪的抓取和精密装配，自动规划装配序列，避碰，多操作器协调等功能；,（,2,）移动式机器人,具有室内、外自主导航，路径规划，避碰，野外、壁面环境下的移动，基于感觉的取样操作和检测、排除故障等功能；,（,3,）水下机器人,具有深水潜游，有缆遥控，水下清理、维修或敷设等功能。,4.4.4,人工生命的实验系统,1.Tierra,数字生命进化模型,在,Tierra,系统中，中央处理器的时间代表能量，内存空间代表资源，这些数字生物或自复制程序不断地改变自身的进化策略，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。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。,刚开始时，,Tierra,模型中只有一个简单的祖先,“,生物,”,，经过,526,万条指令的计算后，,Tierra,型中出现了,366,种大小不同的数字生物。,经过,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。,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，都会出现在,Tierra,当中。,Tierra,的最可喜的成果是证明机器代码能够进化。,这意味着机器代码能变异或再组合，并且产生的代码保留足够的功能以便通过自然选择能够不时地改变代码。,另外，自然环境随着有机体的进化而进化。这是推动地球上的生物物种和复杂度上的进化的基本因素之一。,2.,人工鱼,涂晓嫒的,“,人工鱼,(artificial fish),”,是在虚拟现实的海底世界中活动的人工鱼群，是基于计算机三维动画的,“,人工生命,”,。,虚拟的,“,人工鱼,”,类似于真实的,“,自然鱼,”,，不仅具有逼真的、生动的外观形象，而且具有内在的习性和偏好，具有对外界环境的感知能力以及产生意图、做出反应、控制运动、实现有目的行为等生命特征。,“,人工鱼,”,是由各种不同的人工鱼组成的，具有分布式人工智能的人工鱼群体。其中，每条人工鱼都是一个智能体,(intelligent agent),，具有一定的自主性、主动性和社会性。,“,人工鱼,”,有与鱼脑相对应的,“,意图发生器,”,，有与鱼眼对应的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，表现出包括自激发、自学习、自适应等智能特性，从而产生相应的智能行为。,例如，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；,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。即人工鱼群体表现出觅食、求偶、集群、逃逸、避障等各种智能行为。,人工鱼是具有广泛行为的人工动物，为人工生命领域人工动物的构造提提供了很好的范例。,自然生命的基本特征是自繁衍、自进化、自组织和自适应，,“,晓嫒鱼,”,已具有了自然生命的两个特征,自组织和自适应。,陈泓娟以人工鱼为对象，研究了人工动物的自繁衍、自进化的理论方法和技术，建立,“,人工鱼,”,的自繁衍和自进化模型，将人工生命的,“,自繁衍,”,和,“,自进化,”,特性引入动画的创作，提高了人工鱼动画的创作效率和自动生成能力。,结 束！,THANK YOU,SUCCESS,2025/1/11 周六,22,可编辑,