Máquina autorreplicante

Una máquina autorreplicante es un tipo de robot autónomo que es capaz de reproducirse de forma autónoma utilizando materias primas que se encuentran en el entorno, exhibiendo así una autorreplicación de una manera análoga a la que se encuentra en la naturaleza. . El concepto de máquinas autorreplicantes ha sido propuesto y examinado por Homer Jacobson, Edward F. Moore, Freeman Dyson, John von Neumann, Konrad Zuse y, más recientemente, por K. Eric Drexler en su libro sobre nanotecnología, Engines. of Creation (que acuñó el término replicador ruidoso para este tipo de máquinas) y por Robert Freitas y Ralph Merkle en su revisión Kinematic Self-Replicating Machines, que proporcionó el primer análisis completo Análisis de todo el espacio de diseño del replicador. El desarrollo futuro de dicha tecnología es parte integral de varios planes que involucran la extracción de minerales y otros materiales en lunas y cinturones de asteroides, la creación de fábricas lunares e incluso la construcción de satélites de energía solar en el espacio. La sonda von Neumann es un ejemplo teórico de tal máquina. Von Neumann también trabajó en lo que llamó el constructor universal, una máquina autorreplicante que sería capaz de evolucionar y que formalizó en un entorno de autómata celular. En particular, el esquema de autómatas autorreplicantes de Von Neumann postuló que la evolución abierta requiere que la información heredada se copie y se transmita a la descendencia por separado de la máquina autorreplicante, una idea que precedió al descubrimiento de la estructura de la molécula de ADN. por Watson y Crick y cómo se traduce y replica por separado en la célula.

Una máquina autorreplicante es un sistema artificial autorreplicante que se basa en tecnología y automatización convencionales a gran escala. El concepto, propuesto por primera vez por Von Neumann a más tardar en la década de 1940, ha atraído una variedad de enfoques diferentes que involucran varios tipos de tecnología. Ocasionalmente se encuentran en la literatura ciertos términos idiosincrásicos. Por ejemplo, Drexler utilizó alguna vez el término replicador metálico para distinguir los sistemas de replicación a macroescala de los nanorobots microscópicos o "ensambladores" que la nanotecnología puede hacer posible, pero el término es informal y rara vez es utilizado por otros en debates populares o técnicos. Los replicadores también han sido llamados "máquinas de von Neumann" en honor a John von Neumann, quien fue el primero en estudiar rigurosamente la idea. Sin embargo, el término "máquina de von Neumann" es menos específico y también se refiere a una arquitectura de computadora completamente ajena que propuso von Neumann, por lo que se desaconseja su uso cuando la precisión es importante. Von Neumann utilizó el término constructor universal para describir este tipo de máquinas autorreplicantes.

Los historiadores de las máquinas herramienta, incluso antes de la era del control numérico, a veces decían en sentido figurado que las máquinas herramienta eran una clase única de máquinas porque tienen la capacidad de "reproducirse" copiando todas sus partes. Implícito en estas discusiones está que un humano dirigiría los procesos de corte (más tarde planificaría y programaría las máquinas) y luego ensamblaría las piezas. Lo mismo ocurre con los RepRaps, que son otra clase de máquinas que a veces se mencionan en referencia a dicha "autorreplicación" no autónoma. Por el contrario, las máquinas que son verdaderamente autónomas autorreplicantes (como las máquinas biológicas) son el tema principal que se analiza aquí.

Historia

El concepto general de máquinas artificiales capaces de producir copias de sí mismas se remonta al menos a varios cientos de años. Una de las primeras referencias es una anécdota sobre el filósofo René Descartes, quien sugirió a la reina Cristina de Suecia que el cuerpo humano podía considerarse una máquina; ella respondió señalando un reloj y ordenando "asegurarse de que reproduzca descendencia". También existen otras variaciones de esta respuesta anecdótica. Samuel Butler propuso en su novela de 1872 Erewhon que las máquinas ya eran capaces de reproducirse a sí mismas pero fue el hombre quien las obligó a hacerlo, y añadió que "las máquinas que reproducen maquinaria no se reproducen. máquinas según su propia especie". En el libro de George Eliot de 1879 Impresiones de Theophrastus Such, una serie de ensayos que ella escribió en el personaje de un erudito ficticio llamado Theophrastus, el ensayo "Sombras de la raza venidera" 34; especuló sobre las máquinas autorreplicantes, y Teofrasto preguntó "cómo sé que es posible que en última instancia no estén diseñadas para soportar, o que en sí mismas no evolucionen, condiciones de autoabastecimiento, autorreparación y reproducción" .

En 1802, William Paley formuló el primer argumento teleológico conocido que representaba máquinas que producían otras máquinas, sugiriendo que la cuestión de quién fabricaba originalmente un reloj se volvía discutible si se demostraba que el reloj era capaz de fabricar una copia de sí mismo. El estudio científico de las máquinas autorreproductoras fue anticipado por John Bernal ya en 1929 y por matemáticos como Stephen Kleene, quien comenzó a desarrollar la teoría de la recursión en la década de 1930. Sin embargo, gran parte de este último trabajo estuvo motivado por el interés en el procesamiento de información y los algoritmos más que en la implementación física de dicho sistema. En el transcurso de la década de 1950, Lionel Penrose hizo sugerencias sobre varios sistemas mecánicos cada vez más simples capaces de autorreproducirse.

Modelo cinemático de von Neumann

El matemático John von Neumann presentó por primera vez una propuesta conceptual detallada para una máquina autorreplicante en conferencias pronunciadas en 1948 y 1949, cuando propuso un modelo cinemático de autómatas autorreplicantes como experimento mental. El concepto de Von Neumann de una máquina física autorreplicante se abordó sólo de manera abstracta: la máquina hipotética utilizaba un "mar" o almacén de repuestos como fuente de materia prima. La máquina tenía un programa almacenado en una cinta de memoria que le indicaba que recuperara piezas de este "mar" usando un manipulador, ensamblarlos en un duplicado de sí mismo y luego copiar el contenido de su cinta de memoria en el duplicado vacío. Se concibió que la máquina constaría de tan solo ocho tipos diferentes de componentes; cuatro elementos lógicos que envían y reciben estímulos y cuatro elementos mecánicos utilizados para proporcionar un esqueleto estructural y movilidad. Aunque cualitativamente sólido, von Neumann estaba evidentemente insatisfecho con este modelo de máquina autorreplicante debido a la dificultad de analizarlo con rigor matemático. En su lugar, desarrolló un modelo de autorreplicación aún más abstracto basado en autómatas celulares. Su concepto cinemático original permaneció oscuro hasta que se popularizó en una edición de 1955 de Scientific American.

El objetivo de von Neummann con su teoría de los autómatas autorreproductores, tal como lo especificó en sus conferencias en la Universidad de Illinois en 1949, era diseñar una máquina cuya complejidad pudiera crecer automáticamente de forma similar a la de los organismos biológicos bajo selección natural. Preguntó cuál es el umbral de complejidad que debe cruzarse para que las máquinas puedan evolucionar. Su respuesta fue diseñar una máquina abstracta que, cuando se ejecutara, se replicaría a sí misma. En particular, su diseño implica que la evolución abierta requiere que la información heredada se copie y se transmita a la descendencia por separado de la máquina autorreplicante, una idea que precedió al descubrimiento de la estructura de la molécula de ADN por parte de Watson y Crick y cómo se divide por separado. traducido y replicado en la célula.

Plantas vivas artificiales de Moore

En 1956, el matemático Edward F. Moore propuso la primera sugerencia conocida para una máquina autorreplicante práctica en el mundo real, también publicada en Scientific American. Las "plantas vivas artificiales" de Moore Se propusieron como máquinas capaces de utilizar el aire, el agua y el suelo como fuentes de materias primas y extraer su energía de la luz solar a través de una batería solar o una máquina de vapor. Eligió la orilla del mar como hábitat inicial para tales máquinas, dándoles fácil acceso a los químicos en el agua de mar, y sugirió que las generaciones posteriores de la máquina podrían diseñarse para flotar libremente en la superficie del océano como barcazas factoría autorreplicantes. o para ser colocado en un terreno desértico y árido que de otro modo sería inútil para fines industriales. Los autorreplicantes serían "cosechados" para sus componentes, para ser utilizados por la humanidad en otras máquinas no replicantes.

Sistemas de replicación de Dyson

El siguiente gran desarrollo del concepto de máquinas autorreplicantes fue una serie de experimentos mentales propuestos por el físico Freeman Dyson en su Conferencia Vanuxem de 1970. Propuso tres aplicaciones a gran escala de máquinas replicadoras. El primero fue enviar un sistema autorreplicante a Encélado, la luna de Saturno, que además de producir copias de sí mismo también estaría programado para fabricar y lanzar naves espaciales de carga propulsadas por velas solares. Estas naves espaciales transportarían bloques de hielo de Encelada a Marte, donde se utilizarían para terraformar el planeta. Su segunda propuesta fue un sistema de fábrica con energía solar diseñado para un entorno desértico terrestre, y la tercera fue un "kit de desarrollo industrial" para un entorno desértico terrestre. basado en este replicador que podría venderse a los países en desarrollo para proporcionarles tanta capacidad industrial como deseen. Cuando Dyson revisó y reimprimió su conferencia en 1979, agregó propuestas para una versión modificada de las plantas vivas artificiales marinas de Moore que fue diseñada para destilar y almacenar agua dulce para uso humano y el "Astropollo".

Automatización avanzada para misiones espaciales

En 1980, inspirado en un "New Directions Workshop" celebrado en Wood's Hole, la NASA llevó a cabo un estudio de verano conjunto con ASEE titulado Advanced Automation for Space Missions para producir una propuesta detallada para auto-replicar fábricas para desarrollar recursos lunares sin requerir lanzamientos adicionales o trabajadores humanos in situ. El estudio se realizó en la Universidad de Santa Clara y funcionó del 23 de junio al 29 de agosto, con el informe final publicado en 1982. El sistema propuesto habría sido capaz de aumentar exponencialmente la capacidad productiva y el diseño podría ser modificado para construir sondas auto-replicantes para explorar la galaxia.

El diseño de referencia incluía pequeños carros eléctricos controlados por computadora que se desplazaban sobre rieles dentro de la fábrica, "máquinas pavimentadoras" que utilizó grandes espejos parabólicos para enfocar la luz solar sobre el regolito lunar para fundirlo y sinterizarlo en una superficie dura adecuada para la construcción, y cargadores frontales robóticos para la minería a cielo abierto. El regolito lunar en bruto se refinaría mediante una variedad de técnicas, principalmente lixiviación con ácido fluorhídrico. Se propusieron grandes transportes con una variedad de brazos manipuladores y herramientas como constructores que construirían nuevas fábricas a partir de piezas y conjuntos producidos por su matriz.

La energía sería proporcionada por un "dosel" de células solares apoyadas sobre pilares. El resto de maquinaria se colocaría bajo la marquesina.

Un "robot de lanzamiento" Usaría herramientas de escultura y plantillas para hacer moldes de yeso. Se seleccionó el yeso porque los moldes son fáciles de hacer, pueden hacer piezas precisas con buenos acabados superficiales y el yeso se puede reciclar fácilmente después usando un horno para recuperar el agua. Luego, el robot moldearía la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora (basalto) o de metales purificados. También se incluyó un sistema de corte y soldadura por láser de dióxido de carbono.

Se especificó un fabricante de microchips más especulativo y complejo para producir los sistemas informáticos y electrónicos, pero los diseñadores también dijeron que podría resultar práctico enviar los chips desde la Tierra como si fueran "vitaminas". ;

Un estudio de 2004 apoyado por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA llevó esta idea más allá. Algunos expertos están empezando a considerar la posibilidad de utilizar máquinas autorreplicantes para la minería de asteroides.

Gran parte del estudio de diseño se centró en un sistema químico simple y flexible para procesar los minerales y en las diferencias entre la proporción de elementos necesarios para el replicador y las proporciones disponibles en el regolito lunar. El elemento que más limitó la tasa de crecimiento fue el cloro, necesario para procesar el regolito para obtener aluminio. El cloro es muy raro en el regolito lunar.

Replicadores Lackner-Wendt Auxon

En 1995, inspirados por la sugerencia de Dyson de 1970 de sembrar desiertos deshabitados en la Tierra con máquinas autorreplicantes para el desarrollo industrial, Klaus Lackner y Christopher Wendt desarrollaron un esquema más detallado para tal sistema. Propusieron una colonia de robots móviles cooperativos de entre 10 y 30 cm de tamaño que se desplazaran sobre una red de pistas cerámicas electrificadas alrededor de equipos de fabricación estacionarios y campos de células solares. Su propuesta no incluía un análisis completo de los requisitos materiales del sistema, pero describía un método novedoso para extraer los diez elementos químicos más comunes que se encuentran en la capa superior del suelo del desierto (Na, Fe, Mg, Si, Ca, Ti, Al, C, O₂ y H₂) mediante un proceso carbotérmico a alta temperatura. Esta propuesta se popularizó en la revista Discover, presentando equipos de desalinización con energía solar utilizados para irrigar el desierto en el que se encontraba el sistema. Llamaron a sus máquinas "Auxons", de la palabra griega auxein que significa "crecer".

Trabajo reciente

Estudios del NIAC sobre sistemas autorreplicantes

En el espíritu de la campaña "Automatización avanzada para misiones espaciales" estudio, el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA inició varios estudios de diseño de sistemas autorreplicantes en 2002 y 2003. Se otorgaron cuatro subvenciones de la fase I:

• Hod Lipson (Cornell University), "Autonomous Self-Extending Machines for Accelerating Space Exploration"
• Gregory Chirikjian (Johns Hopkins University), "Arquitectura para Factores Lunares no tripulados"
• Paul Todd (Space Hardware Optimization Technology Inc.), "Robotic Lunar Ecopoiesis"
• Tihamer Toth-Fejel (Dinamismo General), "Modeling Kinematic Cellular Automata: An Approach to Self-Replication" El estudio concluyó que la complejidad del desarrollo era igual a la de un Pentium 4, y promovió un diseño basado en la automata celular.

Impulsando fábricas autorreplicantes en el espacio

En 2012, los investigadores de la NASA Metzger, Muscatello, Mueller y Mantovani abogaron por el llamado "enfoque de arranque" para iniciar fábricas autorreplicantes en el espacio. Desarrollaron este concepto sobre la base de las tecnologías de utilización de recursos in situ (ISRU) que la NASA ha estado desarrollando para "vivir de la tierra" en la Luna o Marte. Su modelo demostró que en sólo 20 a 40 años esta industria podría volverse autosuficiente y luego crecer hasta alcanzar un tamaño grande, lo que permitiría una mayor exploración en el espacio y proporcionaría beneficios a la Tierra. En 2014, Thomas Kalil, de la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca, publicó en el blog de la Casa Blanca una entrevista con Metzger sobre el impulso de la civilización del sistema solar a través de una industria espacial autorreplicante. Kalil solicitó al público que presente ideas sobre cómo "la administración, el sector privado, los filántropos, la comunidad de investigación y los narradores pueden promover estos objetivos". Kalil conectó este concepto con lo que el ex tecnólogo jefe de la NASA, Mason Peck, denominó "exploración sin masa", la capacidad de fabricar cualquier cosa en el espacio de manera que no sea necesario lanzarlo desde la Tierra. Peck ha dicho: "...toda la masa que necesitamos para explorar el sistema solar ya está en el espacio". Simplemente está en mal estado." En 2016, Metzger argumentó que los astronautas en un puesto de avanzada lunar pueden iniciar una industria totalmente autorreplicante durante varias décadas por un costo total (puesto de avanzada más el inicio de la industria) de aproximadamente un tercio de los presupuestos espaciales de los países socios de la Estación Espacial Internacional. y que esta industria resolvería los problemas energéticos y ambientales de la Tierra, además de permitir la exploración sin masa.

Motivos de mosaicos de ADN artificial de la Universidad de Nueva York

En 2011, un equipo de científicos de la Universidad de Nueva York creó una estructura llamada 'BTX' (triple hélice doblada) basada en tres moléculas de doble hélice, cada una hecha de una hebra corta de ADN. Al tratar cada grupo de tres dobles hélices como una letra clave, pueden (en principio) construir estructuras autorreplicantes que codifiquen grandes cantidades de información.

Autorreplicación de polímeros magnéticos

En 2001, Jarle Breivik de la Universidad de Oslo creó un sistema de bloques de construcción magnéticos que, en respuesta a las fluctuaciones de temperatura, forman espontáneamente polímeros autorreplicantes.

Autorreplicación de circuitos neuronales

En 1968, Zellig Harris escribió que "el metalenguaje está en el lenguaje" sugiriendo que la autorreplicación es parte del lenguaje. En 1977, Niklaus Wirth formalizó esta proposición publicando una gramática determinista libre de contexto y autorreplicante. Sumándole probabilidades, Bertrand du Castel publicó en 2015 una gramática estocástica autorreplicante y presentó un mapeo de esa gramática a redes neuronales, presentando así un modelo para un circuito neuronal autorreplicante.

Instituto Harvard Wyss

El 29 de noviembre de 2021, un equipo del Instituto Harvard Wyss construyó los primeros robots vivos que pueden reproducirse.

Nave espacial autorreplicante

La idea de una nave espacial automatizada capaz de construir copias de sí misma fue propuesta por primera vez en la literatura científica en 1974 por Michael A. Arbib, pero el concepto había aparecido antes en ciencia ficción, como en la novela de 1967 Berserker de Fred Saberhagen o la trilogía de novelas cortas de 1950 El viaje del Beagle espacial de A. E. van Vogt. El primer análisis de ingeniería cuantitativa de una nave espacial autorreplicante fue publicado en 1980 por Robert Freitas, en el que se modificó el diseño no replicante del Proyecto Daedalus para incluir todos los subsistemas necesarios para la autorreplicación. La estrategia del diseño fue utilizar la sonda para entregar una "semilla" fábrica con una masa de aproximadamente 443 toneladas a un sitio distante, hacer que la fábrica de semillas replique muchas copias de sí misma allí para aumentar su capacidad total de fabricación, y luego usar el complejo industrial automatizado resultante para construir más sondas con una sola fábrica de semillas a bordo cada una. .

Perspectivas de implementación

A medida que el uso de la automatización industrial se ha ido ampliando con el tiempo, algunas fábricas han comenzado a acercarse a una apariencia de autosuficiencia que sugiere máquinas autorreplicantes. Sin embargo, es poco probable que estas fábricas logren un "cierre total" hasta que el costo y la flexibilidad de la maquinaria automatizada se acerquen a los del trabajo humano y la fabricación de repuestos y otros componentes localmente se vuelva más económica que transportarlos desde otros lugares. Como señala Samuel Butler en Erewhon, la réplica de fábricas universales de máquinas herramienta parcialmente cerradas ya es posible. Dado que la seguridad es un objetivo principal de toda consideración legislativa sobre la regulación de dicho desarrollo, los esfuerzos de desarrollo futuros pueden limitarse a sistemas que carecen de control, materia o cierre de energía. Los replicadores de máquinas totalmente capaces son más útiles para desarrollar recursos en entornos peligrosos a los que los sistemas de transporte existentes no llegan fácilmente (como el espacio exterior).

Un replicador artificial puede considerarse una forma de vida artificial. Dependiendo de su diseño, podría estar sujeto a evolución durante un período prolongado de tiempo. Sin embargo, con una sólida corrección de errores y la posibilidad de intervención externa, el escenario común de ciencia ficción de vida robótica enloquecida seguirá siendo extremadamente improbable en el futuro previsible.

Otras fuentes

• Se han concedido varias patentes para los conceptos de máquina autoreplicante. U.S. patent 5,659,477 "Mismo reproduciendo máquinas de fabricación fundamentales (F-Units)" Inventor: Collins; Charles M. (Burke, Va.) (agosto de 1997), U.S. patent 5,764,518 Inventor: Collins; Charles M. (Burke, Va.)(junio de 1998); y la patente PCT de Collins WO 96/20453: "Metodo y sistema para estaciones de fabricación autoreplicables" Inventores: Merkle; Ralph C. (Sunnyvale, Calif.), Parker; Eric G. (Wylie, Tex.), Skidmore; George D. (Plano, Tex.) (enero de 2003).
• Los replicadores macroscópicos se mencionan brevemente en el cuarto capítulo del libro de K. Eric Drexler de 1986 Motores de Creación.
• En 1995, Nick Szabo propuso un desafío para construir un replicador a escala macro de kits de robot Lego y partes básicas similares. Szabo escribió que este enfoque era más fácil que las propuestas anteriores para los replicadores de macroescala, pero predijo con éxito que incluso este método no conduciría a un replicador de macroescala dentro de diez años.
• En 2004, Robert Freitas y Ralph Merkle publicaron la primera revisión completa del campo de la auto-replicación (de la cual gran parte del material en este artículo se deriva, con permiso de los autores), en su libro Kinematic Self-Replicating Machines, que incluye referencias de literatura 3000+. Este libro incluyó un nuevo diseño de ensamblador molecular, una imprenta sobre las matemáticas de la replicación, y el primer análisis completo de todo el espacio de diseño del replicador.