身体的智能：7.8可自再造的机器

从John von Neumann开始，梦想建造能自再造的机器有很长的历史了。von Neumann是现代数字计算机的发明家之一，也是20世纪最伟大的数学家之一，他在数学的许多领域做出了众多重大贡献。细胞自动机（cellular automaton）（一种类似Turing machine的抽象机器）是他的一项重要发明，被他用作描述自复制机制的基础。von Neumann认为可以将生物体看作非常灵巧的机器，这种想法我们之前已经遇到过。他还认为生物体的重要成分不是构成它的材料，而是其中包含的信息。他对复杂性特别感兴趣，提出诸如一台机器需要多少元件才能实现自再造这样的问题。von Neumann如此描述他的可自再造的细胞自动机，它由200，000个细胞组成，每个细胞处在29个可能状态之一。此后，又提出了其他几种采用更少单元和状态进行自再造的抽象机器，它们或是纯数学形式的，或是仿真形式的。值得注意的是，von Neumann是在1950前后发表上述成果的，而当时DNA的复制机制还没有被发现（1953年才被发现）。当然，基于DNA机制的是完全具身化的物理系统，但对它们仍能采用信息论来进行分析：它们包含了，或者能包含多少信息？

因为我们是对具身化系统，而不是对抽象仿真感兴趣，我们不会讨论所有自再造的仿真，而是描述一种能构造真实的、物理的、能自复制的机器的方法。令人感兴趣的是，一套非常先进的自复制机器人系统已经由康奈尔大学的Hod Lipson实

验室开发成功。还记得Lipson吗？他曾是Brandeis大学的一个研究人员，用他自己的名字给他在Golem项目中设计的第一个自动进化机器人命名，可参见第6章。

Lipson 实验室的Victor Zykov和Efstathios Mytilinaios建造了8个机器人立方体，彼此可以连接或者分离（图7.2）。在某种意义上，他们的系统类似于Murata的M-TRAN模块。其先进之处在于由4个立方体所组成的蛇形机器人可以移动到“给养站”，并抓取放在“给养站”的其余模块，然后在某处将这些模块连到一起构建一个新的可行动的四单元蛇形机器人。这些立方体上有个“切口”贯串中部：一个驱动器可以使半个立方体相对于另一半旋转，这样就可以带动连接到这个立方体自0：00| 0.04：1l 0：201

1：o3

1：34|

1：52|2.20

.2：34|

图7.2自再造机器人――康奈尔系统

（a）四单元蛇形机器人；（b）四单元机器人通过从两个“给养站”（细杆）获取新的模块并将其连接到新的机器人上实现自再造。使用嵌入到立方体中的电磁铁实现单元的连接和分离。数字代表了时间。注意新的机器人（位于右边）旋转它自身单元以利于其自身构造

由端的其他立方体旋转（参见图7.2（a）。这些立方体利用体内的电磁铁实现相互抓取，或互相分离，电磁铁的通、断由每个立方体中的嵌入式微处理器来控制（电机也由微处理器控制）。在没有任何人为参与的条件下（除了在给养站放置立方体），机器人实现了其功能复制――自复制（Zykov等，2005）。

显然，这个机器人比由200，000个细胞构成的von Neumann的自复制自动机要简单得多。另外，控制第一个机器人抓取模块并放入成长中的机器人的电机指令程序以及控制第二个机器人进行自我构造的电机指令程序，都是由Zykov自己设计。

每个立方体都有相同的一份自复制控制程序，立方体给所有与其连接的立方体发送信号，指示下一步的动作。当然，使用人工进化可以自动设计这些命令。这个研究小组也做了这些工作，但只是仿真，而且只是使用了二维。这种情况下的自复制只使用如此少模块（用4个取代了von Neumann研究中所使用的200，000个模块）的原因是单个模块非常复杂。事实上，模块本身，或多或少，具有机器人的功能。Zykov和Myrtilinaios的模块有着它们自己的电路、驱动器与其他模块连接或者分离的装置以及计算机控制程序。尽管zykov和他的同事们只是实现了使用4个模块的自复制，他们从理论上说明了如果按此步骤，更多的模块也能自复制，但是，毫无疑问，在更为复杂的环境下，所需要的行为序列比图7.2（b）所示的要长得多。值得欣喜的是，人们实现了在宏观层次上（智能体级别）人工系统的自复制，而不仅仅是在分子层次上（如化学上的自我复制）。当然，这只是向前迈进的一小步，模块本身非常复杂，并且由人类设计和制造，机器人的能量需要外部供给，其行为是预先编程的，新机器人所需的零件也是人造的，并放到特定的位置上，以使初始的机器人能找到它们等。可见，为了实现真正意义上的自复制机器，我们还有许多工作要做。