sobre el proyecto
ALiEn es un programa de simulación de vida artificial basado en un motor de renderizado y física dedicado en CUDA. Está diseñado para simular organismos digitales incrustados en ecosistemas artificiales y para simular condiciones para la evolución (pre) biótica.
Conozca los objetivos del proyecto y cómo comenzar .
Funciones
- Cálculos físicos realistas de procesos cinemáticos y termodinámicos de sólidos dañados y pegados
- Material programable para modelar organismos digitales y evolución.
- Editor de gráficos incorporado para diseñar sus propias máquinas
- Modelado y renderizado de GPU
- El software es de código abierto y está disponible bajo la Licencia Pública General GNU, Versión 3 (GPLv3) .
Debajo del corte hay dos ejemplos ("Replicadores de autocomprobación" y "Replicación basada en información") del uso de este paquete de software.
Caso uno: Replicadores de autoprueba
1. Replicadores de origen
Los replicadores de autocomprobación son máquinas que pueden escanear su propia estructura y repararla. Por tanto, no es necesario almacenar información de diseño. Experimentaremos con tres tipos de replicadores de autocomprobación, que difieren en tamaño y complejidad topológica.
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2.
2.1. Configuración
Ejecutaremos una simulación para cada tipo de replicador. La idea es comenzar con un pequeño universo lleno de energía y algunos replicadores iniciales. A saber:
- tamaño del universo: 1000 x 1000 unidades
- 5000 bloques rectangulares de 8 x 4 distribuidos al azar como "nutrientes"
- 20 replicadores
Los parámetros de simulación fueron elegidos para crear un universo "amigable", como baja tasa de mutación, baja radiación, bajo costo de energía para las funciones celulares, etc. Aquí se puede descargar una simulación con esta preconfiguración:
2.2. Simulaciones
2.2.1. Pequeños replicadores
Inicialmente, el número de replicadores crece exponencialmente hasta que se agotan todos los recursos. Después de eso, se establece un equilibrio en el que el número de replicadores (alrededor de 6000) permanece constante. El siguiente video muestra cómo los replicadores consumen los últimos recursos gratuitos. Después de eso, necesitan consumirse entre sí. Sin embargo, debido a la mutación, se produjeron optimizaciones menores que llevaron al surgimiento de individuos más adaptados. A veces se puede observar el crecimiento de colonias densas. Este fenómeno se muestra en la figura tomada en el paso 114.000. Cada punto luminoso representa un individuo / replicador separado.
Las colonias tienden a concentrar energía en un universo hostil y solo parecen estables cuando el universo es relativamente denso debido a la presión circundante de otros materiales. La alta densidad dentro de la colonia permite un fácil consumo de energía por parte de los replicadores. Dado que se adaptan más o menos idealmente a su entorno, no ha habido más cambios significativos. Una mirada más cercana revela que los replicadores han perdido la capacidad de moverse por sí mismos porque esto ya no es necesario.
A continuación, encontrará dos videos: el primero muestra cómo los replicadores se apoderan de todos los recursos disponibles en un universo pequeño. El segundo video ofrece una vista detallada de los procesos dentro de la colonia.
Después de esta fase inicial, aumentamos gradualmente el tamaño del universo a 4000 x 1000 unidades y aumentamos gradualmente las propiedades del parámetro de simulación función de celda -> armas -> costo de energía a 1.4. Estos cambios, por un lado, reducen la presión ambiental y conducen a la dispersión de colonias. Por otro lado, el consumo de energía se vuelve más difícil. De repente hay una necesidad de adaptación. Los replicadores desarrollan la movilidad para consumir recursos de forma más activa. Después de varios millones de pasos de tiempo y de fijar el parámetro anterior, el nuevo equilibrio se fusiona. Se consumen entre sí y producen descendencia. Pero el número de replicadores permanece constante. Este comportamiento se puede ver en el primer video tomado después de 22 millones de pasos de evolución.
Luego aumentamos el parámetro anterior a 2.4. Esto conduce a un desequilibrio ya que el replicador pierde energía demasiado rápido. Sin embargo, encontraron una forma de sobrevivir. Siempre que los recursos se concentran localmente, se arriesgan, consumen y replican lo más rápido posible. Después de eso, se dispersan y la mayoría muere. Los replicadores destruidos / defectuosos van a la deriva por el espacio. Cuando muchos de ellos se acerquen, serán absorbidos por otros. Por lo tanto, surge un equilibrio más complejo cuando las ondas materiales chocan periódicamente y son rápidamente absorbidas por varios replicadores existentes. El número de replicadores crece muy rápidamente en poco tiempo. Luego, la mayoría muere y forma una nueva ola de material. Este fenómeno se puede ver en el video.
El replicador resultante de la evolución después de 70 millones de pasos de tiempo se muestra a continuación. El video muestra cómo se expandirá en un universo "amistoso". Un comportamiento interesante que se puede observar en las simulaciones es que muchos de estos replicadores en realidad no se replican, mientras que solo unos pocos producen muchos descendientes. Esto puede resultar beneficioso si muchos de ellos compiten por recursos limitados.
Pequeño replicador evolucionado
2.2.2. Grandes replicadores
La evolución de este tipo de replicador más grande sigue un patrón ligeramente diferente. Por un lado, su estructura más amplia ofrece más oportunidades de optimización y por tanto de adaptación a nuevas condiciones. Por otro lado, el proceso de replicación requiere más tiempo y energía. Como consecuencia, el desarrollo de ondas materiales periódicas se produjo en una forma mucho más débil, porque el replicador no fue lo suficientemente rápido para capturar el material.
A continuación puede encontrar el producto de evolución después de 82 millones de pasos de tiempo y un video que muestra su creación. El replicador se mueve de forma muy abrupta y, a veces, suicida. Este comportamiento agresivo parece ser beneficioso en universos con escasos recursos. Su estructura ha evolucionado pero todavía está relativamente cerca de su configuración original. También puede notar que su estructura y función no han cambiado mucho en épocas posteriores. En comparación con el principio, muchas más fichas giran en sus celdas, lo que conduce a una actividad más rápida.
gran replicador evolucionado
2.2.3. Replicadores complejos
La variante más grande del replicador original crea estructuras más pequeñas en períodos de tiempo bastante cortos. En cuanto a la gran variación anterior, hay más libertad para optimizar y se pueden observar patrones de comportamiento más complejos en comparación con el replicador inicial pequeño. Este hecho también afecta las estructuras generales del Universo. Existe una variedad más amplia de grupos de diferentes tamaños. Además, no hay ondas materiales periódicas. En cambio, hay un movimiento más caótico y una congestión local de las máquinas replicadoras. Puedes ver este fenómeno en el video a continuación.
Tales condiciones pueden ser más adecuadas para la evolución hacia una mayor complejidad. En la simulación, después de 26 millones de pasos de tiempo, surgió una estructura completamente nueva. Llama la atención por su enorme acabado interior. Es como una estructura cristalina en crecimiento sin movimiento activo ni consumo de energía. El parto ocurre por la destrucción de la estructura debido a influencias físicas. Las piezas pueden volver a crecer. En la parte inferior derecha se muestra una imagen ampliada de este asombroso producto evolutivo.
estructura cristalina
Esta criatura exótica coexiste con otros replicadores avanzados. A continuación se muestra un ejemplo de un replicador de este tipo, junto con un video que muestra su distribución.
replicador complejo evolucionado
4. Conclusiones
Los tres tipos de replicadores sufren los mayores cambios en el primer millón de pasos de tiempo debido a la mutación y la selección natural. La mayor complejidad de la configuración inicial ofrece más oportunidades de optimización. Sin embargo, una vez que se fijan las condiciones ambientales (parámetros para modelar y medir el universo), la adaptación evolutiva se ralentiza. Incluso las mutaciones silenciosas no pueden sobrevivir en una población.
Todos los tipos de replicadores originales evolucionan hacia variantes que se reproducen y consumen recursos mucho más rápido. Las nuevas empresas estructurales más complejas también desarrollan comportamientos más complejos.
Un producto inesperado fue la aparición de estructuras cristalinas que pueden crecer, pero que no tienen las funciones de movimiento activo, consumo de energía y replicación. Se reproducen, pudriéndose bajo la influencia de factores externos. La mayoría de las piezas siguen siendo funcionales.
Caso dos: replicación basada en información
1. Replicador inicial
El tema principal de este estudio es una máquina de autorreplicación que utiliza un análogo digital de ADN. En comparación con los replicadores de autocomprobación, los comandos de construcción secundaria se almacenan en el contenedor de datos como información pura. Gracias a este enfoque, ganamos más flexibilidad en la creación de nuevas máquinas, ya que surgen de la manipulación de información.
Comencemos nuestro experimento con una estructura de bucle que realiza todas las operaciones necesarias en un bucle principal. Las instrucciones de construcción están codificadas en la memoria de un token que gira en una estructura circular. Además, para obtener la energía necesaria, se realizan algunos movimientos aleatorios y ataques a las células vecinas.
En las imágenes a continuación, podemos ver instantáneas en proceso de replicación. Siempre que el replicador tenga suficiente energía, produce nuevas celdas, cuyas instrucciones de construcción se describen en la sección de datos del token. Cada vez que un token pasa a través de una celda de computadora, las instrucciones de ensamblaje se copian byte a byte en su campo de destino. Esto puede tomar hasta 45 vueltas alrededor de la estructura. Una vez que se completa el proceso de copia de la memoria, comienza la creación de una célula hija, que se repite si no hay suficiente energía disponible. El constructor recibe instrucciones del token y construye gradualmente las 6 celdas. Después de construir la última celda, el token se duplicará y la copia se propagará a la descendencia. Durante este proceso, se aplica una mutación a la memoria del token. Además, el sitio de construcción se divide en dos individuos.
Después de muchos ciclos de replicación, el número de descendientes crece exponencialmente, siempre que haya suficientes nutrientes disponibles en forma de células circundantes o partículas de energía. A la derecha, las estructuras que se replican son visibles después de varios ciclos de reproducción. Debido a la mutación aplicada, algunos de ellos pueden tener diferentes propiedades, lo que en la mayoría de los casos conduce a algunos fallos de funcionamiento.
replicador basado en información
2. Experimento evolutivo
2.1. Configuración
Para nuestro experimento evolutivo, creamos una simulación con la siguiente configuración:
- tamaño inicial del universo: 1000 x 1000 unidades
- 5000 grupos rectangulares distribuidos aleatoriamente de 8x4 celdas cada 100 unidades de energía
- 20 replicadores
La configuración inicial completa se puede descargar aquí .
2.2. Simulación
Durante la simulación, aumentamos gradualmente el tamaño del universo a 6000 x 1000 unidades. Luego, el universo se escala a 60,000 x 1,000 unidades, lo que resulta en un aumento de energía de 10 veces. El número de replicadores crece exponencialmente y se estabiliza en el nivel de 80 a 90 mil copias. En este punto, el número se puede leer en los grupos activos en el monitor. Los resultados a continuación no se pueden replicar directamente ya que todas las simulaciones son diferentes. Sin embargo, se pueden observar algunos efectos generales.
Con el tiempo, puede ver que densas colonias de replicadores pueden fusionarse con el tiempo. Porque en las condiciones actuales, es beneficioso para los replicadores desarrollar comportamientos perezosos que no hacen ningún movimiento y atacan masivamente su entorno. Para evitar que surja un patrón de supervivencia tan conveniente, podemos cambiar las condiciones ambientales. Para ello, castigamos el ataque celular aumentando los parámetros de la función de simulación -> arma -> coste energético. No aumentamos su valor a 3 inmediatamente, sino gradualmente después de 100 mil pasos de tiempo, para que los replicadores puedan adaptarse a las nuevas condiciones.
Cuando el universo está lleno de replicadores, la densidad del material puede variar mucho de una región a otra. Porque los replicadores en movimiento crean fuerzas que empujan el material restante. Este fenómeno se puede ver en la siguiente captura de pantalla con 2 millones de pasos de tiempo.
Los puntos brillantes son visibles en el centro del área. Son miles de replicadores. Con el tiempo, mutaron y algunos de ellos adquirieron un color diferente. A la izquierda y a la derecha, puede ver el material sobrante en su mayoría azul, escasamente distribuido. Esta captura de pantalla muestra solo una pequeña fracción de todo el universo. En nuestro sistema de prueba, la simulación se ejecuta a aproximadamente 20 pasos por segundo.
A continuación, puede ver un extracto de la misma simulación en 7 millones de pasos de tiempo. Los replicadores han mutado y pueden multiplicarse más rápido en su entorno.
Después de 59 millones de pasos de tiempo y un cambio en la tasa de mutaciones de baja a alta y viceversa, la dinámica del universo simulado cambió con la aparición de nuevos tipos de estructuras. Su comportamiento es muy diferente al de los replicadores originales. A primera vista, parecen ser mutantes que funcionan mal. Pero lo más interesante es que crecen y se desintegran en pedazos que pueden crecer por sí mismos.
Parece que ha surgido un nuevo tipo de estilo de vida artificial que no podría haberse imaginado en las condiciones originales. En las siguientes capturas de pantalla, representamos secciones del universo después de 61 millones de pasos de tiempo. El archivo de simulación para este paso de tiempo se puede descargar aquí .
La estructura cristalina blanca en el centro parece bastante notable. Su color es el resultado de muchas fichas circulantes. En el editor podemos observar información más detallada sobre esta estructura.
Tras una mayor ampliación, encontramos que esta estructura consiste básicamente en dos tipos de celdas que se repiten en patrones espaciales: una celda de computadora y una celda de diseño. Casi todas las celdas tienen tres tokens que contienen datos para el proceso de construcción. Tan pronto como hay suficiente energía disponible en alguna parte de la estructura, crece en una dirección ortogonal.
La estructura se puede descargar aquí .
4. Conclusiones
A través de este experimento, pudimos observar la aparición de estructuras cristalinas en crecimiento. Se observó el mismo fenómeno para los replicadores auto-inspeccionados. Además, se mantuvieron estables, se extendieron por todo el universo y se convirtieron en la especie dominante. De esto podemos concluir que tales formas de autorreproducción no son tan raras y pueden ocurrir en diversas situaciones.
No hubo diferencias significativas en el desarrollo de máquinas fotocopiadoras de información en comparación con las máquinas de autocomprobación en este experimento. La hipótesis de que tales máquinas pueden adaptarse mejor a su entorno y son más adecuadas para una evolución ilimitada debe explorarse en experimentos más extensos.
Además, resulta que las siguientes extensiones deben considerarse para una mayor experimentación:
- cambio automático de los parámetros de modelado para que la población no se extinga,
- recompensa las estructuras de replicadores más grandes.
Extras: Obras de arte
Todos los screencasts que siguen muestran simulaciones en tiempo real grabadas en un sistema GeForce 2080 TI. Se recomienda ver videos en calidad 1080p (HD). Se pueden encontrar más videos en el canal de YouTube .