[論文レビュー] JohnnyVon: Self-Replicating Automata in Continuous Two-Dimensional Space

Arnold Smith, Peter D. Turney+1 more|ArXiv.org|Dec 8, 2002

Cellular Automata and Applications参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

JohnnyVon は、連続的な2次元空間における自己複製型オートマトンの計算モデルを提示する。粒子は離散的な内部状態と連続的な空間的運動を有し、ブラウン運動やばね力といった物理法則に従って制御される。このような粒子が、自己複製するパターンを自発的に構築する。主な成果は、種まきされた複製と、個々の粒子のスープから自発的に出現する自己複製構造の両方の実証である。

ABSTRACT

JohnnyVon is an implementation of self-replicating automata in continuous two-dimensional space. Two types of particles drift about in a virtual liquid. The particles are automata with discrete internal states but continuous external relationships. Their internal states are governed by finite state machines but their external relationships are governed by a simulated physics that includes brownian motion, viscosity, and spring-like attractive and repulsive forces. The particles can be assembled into patterns that can encode arbitrary strings of bits. We demonstrate that, if an arbitrary "seed" pattern is put in a "soup" of separate individual particles, the pattern will replicate by assembling the individual particles into copies of itself. We also show that, given sufficient time, a soup of separate individual particles will eventually spontaneously form self-replicating patterns. We discuss the implications of JohnnyVon for research in nanotechnology, theoretical biology, and artificial life.

研究の動機と目的

• 離散的なグリッドベースのオートマトンを越えて、連続的な2次元空間における自己複製システムのモデル化を目的とする。
• 粒子の相互作用を支配する単純な物理的および状態ベースの規則から、自己複製が生じるかどうかを調査することを目的とする。
• 無秩序な個々の粒子のスープから、自己複製パターンが自発的に形成可能かどうかを検討することを目的とする。
• 理論生物学、ナノテクノロジー、人工生命に応用可能な計算フレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• 粒子は、有限状態機械によって制御される離散的な内部状態を持つオートマトンとしてモデル化される。
• 空間的運動は、ブラウン運動、粘性、および引力・反発力を持つばね的な力などを含む連続的物理法則を用いてシミュレートされる。
• パターンは、特定の粒子の配置として符号化され、複製のための「種」の機能を果たす。
• 複製は、局所的な相互作用ルールに従って、自由な粒子が種のパターンのコピーに集合することで実現される。
• 粒子の移動性と相互作用を可能にするために、仮想的な液体環境が使用される。
• システムの挙動を構成可能にシミュレート・探索できるように、Javaコードが提供される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的な相互作用のみを通じて、無秩序な個々の粒子の集合から自己複製パターンが出現するか？
• RQ2 連続空間のダイナミクスとシミュレートされた物理法則が、強固でスケーラブルな自己複製をどの程度可能にするか？
• RQ3 有限状態機械と連続的な空間的関係がどのように作用し、複雑で自己持続的な行動を生み出すか？
• RQ4 このシステムは、種まき複製と自発的自己複製構造の両方を示せるか？

主な発見

• 特定の「種」のパターンが、自由な粒子を正確なコピーに集合させることで、複製に成功することが実証された。
• 十分な時間が与えられれば、自己複製パターンが自発的に形成されることから、無秩序から出現する自己複製の可能性が示された。
• ブラウン運動と粘性力の影響下でも、複製プロセスは安定的かつ頑健であることが確認された。
• 粒子はその空間的配置に任意のビット列を符号化でき、プログラマブルな自己複製が可能である。
• シミュレーションにより、自己複製が事前にプログラムされたテンプレートに依存するのではなく、局所的な相互作用ルールから生じることが示された。
• 本モデルは、ナノテクノロジーや人工生命分野における研究に応用可能なスケーラブルで拡張可能なフレームワークを提供する。