Framsticks

Maciej Komosiński jest współautorem projektu Framsticks – symulacji sztucznego życia rozwijanego w Instytucie Informatyki Politechniki Poznańskiej. „Sztuczne życie” brzmi interesująco i trochę przerażająco. Arleta Piwowarczyk poznaje motywacje i zastosowania tego typu badań, a także rozmawia o konsekwencjach szybkiego rozwoju możliwości komputerów.

• Co się kryje pod nazwą „sztuczne życie”?
• Sztuczne życie jest młodą dziedziną nauki, która zajmuje się badaniem zjawiska życia, tworzeniem jego modeli i symulacji. W szczególności oznacza to symulowanie sztucznych organizmów (czasem podobnych do tych prawdziwych) w różnych mediach – na komputerach, w specjalnych układach elektronicznych, a nawet w środowiskach chemicznych. Naukowcy badają zjawiska i zależności, jakie się między tymi organizmami wytwarzają. Wyniki takich symulacji mogą być porównywane z naturą; mogą dać też niekiedy odpowiedzi na pytania, których źródłem jest świat rzeczywisty. Zachęcam do odwiedzenia portalu alife.pl poświęconego tej tematyce – wiele dostępnych tam programów doskonale ilustruje różne kwestie związane z modelowaniem i symulacjami życia.
• A czy takie sztuczne organizmy potrafią wyjaśnić zagadkę powstania naszego życia?
• Prowadzi się najróżniejsze symulacje dotyczące prostych związków chemicznych oraz organizacji materii po to, by badać kwestie powstania życia. Jest to bardzo szeroki i trudny temat.
• Jesteś współautorem projektu sztucznego życia „Framsticks”. Skąd się wzięła ta nazwa?
• No cóż, ze względu na metodę, której użyliśmy do symulacji naszych stworzeń, składają się one z „segmentów”, które można przedstawić jako pręty, patyczki... tworzące ramy, czy struktury podobne do krat i przypominające patyczaki – stąd taka właśnie angielska nazwa.
• Te organizmy, o ile wiem, nie są pionierskie. Jakieś wzorce były?
• W pewnym sensie. My nie wzorowaliśmy się na nikim rozpoczynając w 1997 roku nasz projekt, ponieważ wtedy nie wiedzieliśmy jeszcze, że tyle się w tym kierunku na świecie robi. Za to po pewnym czasie zorientowaliśmy się, że jest już cała dziedzina nauki, łącząca biologów, informatyków, robotyków, chemików, fizyków, elektroników, a nawet ekonomistów i filozofów... Podobny i bardzo znany projekt sztucznego życia związany z symulacją ewolucji ukierunkowanej, hodowaniem organizmów pod kątem jakichś kryteriów przeprowadził Karl Sims w 1994 roku. Nazwał je „virtual creatures”. Jest to jedna z najbardziej znanych symulacji, no i jedna z pierwszych tak złożonych, trójwymiarowych. Nasza jest bardziej wszechstronna, jeśli chodzi o możliwości ewolucji i kontroli całego środowiska. Karl Sims hodował swoje stworzenia, żeby mogły chodzić, skakać, pływać, bez ewolucji spontanicznej, bilansu energetycznego i innych możliwości, które posiada nasz projekt. Cele które sobie stawiamy są inne od tych, które miał Karl Sims.
• Jakie kryteria są brane pod uwagę w hodowli Framsticków?
• Framsticki umożliwiają zarówno ewolucję ukierunkowaną, jak i nieukierunkowaną. Przy tej ukierunkowanej można hodować stworzenia na przykład „na prędkość” w środowisku wodnym i lądowym, na wielkość, na skoczność itp. Kryterium długości życia może naśladowac ewolucję nieukierunkowaną (długość życia zastępuje zdolności reprodukcyjne). Dobór ewolucyjny promuje te osobniki, które żyją dłużej od innych. Dzięki temu rozwijają się takie, które żyją dłużej i dłużej... Ale to kryterium jest bardziej skomplikowane niż wszystkie kryteria podstawowe, bo żeby żyć dłużej trzeba wykazać się wieloma zdolnościami: zdobyć energię, zabić innego Framsticka i go zjeść albo znaleźć pożywienie, a to jest już dużo więcej niż np. samo poruszanie się. Wykorzystanie definicji eksperymentów dostosowanych do ewolucji nieukierunkowanej (gdzie środowisko i inne organizmy określają presję selekcyjną) pozwala jeszcze lepiej naśladować jej mechanizmy.
• W naszej rozmowie często pada wyraz „ewolucja”. Czy możnaby to jakoś przybliżyć?
• Chodzi zapewne o tę ewolucję symulowaną na komputerze? Bo jeśli chodzi o ewolucję znaną z historii i biologii, czyli z rozwoju gatunków, to mniej więcej wiemy jakie są teorie, wiemy o Darwinie. Jakiś czas temu informatycy zainteresowali się wykorzystaniem idei ewolucji, którą znamy z życia, w optymalizacji komputerowej. A optymalizacja to nic innego jak szukanie najlepszych rozwiązań problemów, czyli optimów. To jest termin, który może się wydać bardzo specjalistyczny, ale chodzi tu o poszukiwanie najlepszych rozwiązań – a z tym mamy przecież do czynienia na codzień. Dysponujemy wieloma możliwymi rozwiązaniami i szukamy tego najlepszego, ale przestrzeń wszystkich rozwiązań jest z reguły bardzo, bardzo olbrzymia. Jest ona tak olbrzymia, że nawet dysponując najszybszym komputerem (ani teraz, ani w przyszłości) nie jesteśmy w stanie ich wszystkich sprawdzić, bo trwało by to zbyt długo. Dlatego stosuje się algorytmy, rożne metody komputerowe, które potrafią w miarę inteligentnie przeszukać tę przestrzeń, ale nie przeszukują wszystkich rozwiązań, bo to jest niemożliwe. I do tego właśnie stosuje się między innymi algorytmy genetyczne, czy też ewolucyjne. Ewolucja nie sprawdza wszystkich możliwych do zbudowania organizmów.
• No tak. Tylko jak takie algorytmy działają we „wcieleniu” komputerowym?
• Wybiera się pewną próbkę (na przykład sto) rozwiązań, zupełnie losowo, z tej wielkiej przestrzeni wszystkich rozwiązań i traktuje się je jako „osobniki”. Po ich ocenie wybiera się do następnego „pokolenia” tylko te najlepsze, a dodatkowo wprowadza się mutacje, czyli małe, losowe zmiany tych rozwiązań. Krzyżuje się rozwiązania najlepsze, czyli wymienia się fragmenty ich informacji ze sobą, licząc na to, że dadzą w rezultacie inne rozwiązania, które mają cechy już i tak dobrych obecnie rozwiązań i stworzą w ten sposób jeszcze lepsze rozwiązania. I taki proces się powtarza, to jest właśnie sztuczna ewolucja. Metody takie są wykorzystywane do optymalizacji i stąd już jest mały krok do tego, żeby osobniki były nie tyle rozwiązaniami, co osobnikami sztucznego życia, czyli takimi symulowanymi stworkami, które są jakoś opisane i które można oceniać. I teraz, jeżeli będziemy oceniali te osobniki na przykład pod kątem prędkości ich poruszania się w jakimś środowisku, to cała ewolucja będzie dążyć do uzyskiwania coraz szybszych osobników właśnie poprzez sztuczne krzyżowanie, czyli wymianę jakichś informacji w opisach tych osobników – oraz mutacje, no i przede wszystkim przez presję, przez dobór, czyli selekcję ukierunkowaną na osobniki lepsze. Panuje generalna zasada: osobniki lepsze mają większe prawdopodobieństwo pojawienia się w przyszłości, w przyszłym pokoleniu, niż osobniki gorsze. To jest to, co nadzoruje całą ewolucję i ją ukierunkowuje pod kątem jakiegoś kryterium.
• Myślę, że to była bardzo wyczerpująca odpowiedź. Interesuje mnie kwestia, jak poruszają się te stworki, co sprawia, że one chodzą, jedzą, po prostu „żyją”?
• Jest tu parę spraw, które się miesza. Jeżeli chodzi o ten sztuczny, czy wirtualny świat, to on (i jego mieszkańcy) nie istnieją naprawdę. Tu pojawia się odrębna kwestia, czy oni o tym wiedzą, czy nie. Na pewno przy obecnej, małej złożoności tych stworków – one nie zdają sobie sprawy z własnego istnienia. Ich sterowanie, sposób poruszania się – sztuczny mózg – składa się z kilku, kilkudziesięciu, kilkuset neuronów, tak, że to są naprawdę proste stworki. Które mają aczkolwiek jakieś analogie w naszym świecie, tzn. istnieją robaki podobnie mało skomplikowane jak te sztuczne, symulowane. Jak one się poruszają? Po prostu są symulowane według zasad, które ustalił twórca projektu sztucznego życia. Tu warto powiedzieć o nieznośnej (a może cudownej?) zdolności ewolucji do odkrywania nieprzewidzianych sposobów na osiągnięcie celu ewolucji, co często prowadzi do powstania niezwykle zaskakujących, a czasem śmiesznych gatunków stworów. Wykorzystują one często błędy, „przecieki” w programie, który je właśnie symuluje, co sami wielokrotnie zaobserwowaliśmy. Wracając do poruszania się: może to być ruch w środowisku dwuwymiarowym, czyli na płaszczyźnie, może to być w środowisku trójwymiarowym, może to być w jakimkolwiek innym środowisku i wcale nie musi rządzić się takimi prawami – czy być na tyle realny, jak to jest w naszym świecie, jak my się do tego przyzwyczailiśmy. To też jest jedna z zalet, cech sztucznego życia, że nie trzymamy się niewolniczo zasad, które panują w świecie, który my poznaliśmy, bo nikt nie powiedział, że jest on jedyny, najlepszy, albo konieczny do naśladowania.
• Co będzie dalej z Framstickami? Jakie są projekty?
• W tej chwili jest to program o wielkich możliwościach, mogący symulować złożone zachowania stworzeń. Oferuje on dużo większe możliwości niż te, które jesteśmy w stanie sami sprawdzić. System jest wykorzystywany w laboratoriach i uniwersytetach na całym świecie, wiele osób używa go do celów naukowych, dydaktycznych, rozrywkowych... i jeszcze bardzo wiele eksperymentów zostało do przeprowadzenia. Program jest dostępny w Internecie na stronie projektu – www.framsticks.com, można go samemu wypróbować. Po „rozgryzieniu” programu własne eksperymenty będą pasjonujące, a wyniki doświadczeń – unikalne, co jest gwarantowane przez losowy charakter ewolucji. Zachęcam gorąco do własnych hodowli, dzięki temu może komuś uda się otrzymać szczególnie interesujące stworzenie? Ewolucja swobodna daje naprawdę nieograniczone możliwości!
• Właśnie: na czym dokładnie polega ewolucja „swobodna”?
• Tak jak powiedziałem, program umożliwia ewolucję swobodną i myślę, że te eksperymenty będą najbardziej obiecujące. Dotychczas mówiłem co nieco o ewolucji ukierunkowanej, kiedy istniała selekcja osobników lepszych pod kątem pewnego kryterium. One były promowane i dostawały więcej potomków w kolejnych pokoleniach. Natomiast Framsticki (dzięki mechanizmowi używania określonych definicji eksperymentów) umożliwiają również ewolucję nieukierunkowaną, zwaną też swobodną, spontaniczną, otwartą – i to jest doprawdy ciekawsza rzecz, która o wiele bardziej, o wiele bliżej oddaje to, co się dzieje w naszym świecie. Nie istnieje tu żadne kryterium narzucone przez osobę, która uruchomiła program i powiedziała: interesuje mnie teraz kryterium prędkości, czy jakiekolwiek inne. Siłą rzeczy, jeżeli robimy ewolucję ukierunkowaną, czyli określamy pewien cel, to nie możemy powiedzieć: teraz hodujemy na mądrość, inteligencję – bo nie jesteśmy w stanie zdefiniować takich kryteriów. Musielibyśmy sami to jakoś zaprogramować, czyli sami stać się wyrocznią: kto jest mądry bardziej, a kto jest mądry mniej. Tymczasem w ewolucji spontanicznej nie ma z góry narzuconych tego typu kryteriów, natomiast istnieje coś takiego, jak możliwości reprodukcyjne organizmów i ograniczone zasoby, które są konieczne do przeżycia. W ten sposób stwory, które sobie gorzej radzą – słabiej się rozmnażają – nie będą dominowały w sztucznym świecie. Stwory, które będą radziły sobie lepiej, obojętnie w jaki sposób to się stanie, będą po prostu popularniejsze. One nie będą faworyzowane przez kryterium typu "prędkość", ale z natury swojej – przez to, że mogą się szerzej rozmnożyć – uzyskają dominację.
• To, że stworzenia szybsze uzyskiwały więcej potomków, było zrozumiałe – ale jeśli nie ma takiej zasady, to jak wyhodować szybkie zwierzaki?
• To się akurat może wydawać dziwne, bo skoro nie definiujemy żadnego ukierunkowania, to wszystko jest losowe: mutacje są losowe, krzyżowanie jest losowe i nie ma ukierunkowanego etapu wybierania osobników lepszych – można by się spodziewać, że cały czas będziemy mieli jakieś zupełnie losowe osobniki, które są po prostu lepsze lub gorsze, ale nikt nie czuwa nad tym, by promować te lepsze. Jest tu jednak ukryte ukierunkowanie: aby się rozmnożyć trzeba zdobyć zasoby. A aby zdobyć zasoby (choćby pokarm potrzebny do przeżycia, czyli rozmnożenia się) trzeba wykazać się... no właśnie, tu mamy całą potencjalną gamę zachowań: prędkością, inteligencją, sprytem, współpracą, pasożytnictwem, udawaniem – mimikrą... Nie ma pojedynczego kryterium, natomiast z samych zdolności reprodukcyjnych, z samych zdolności przeżycia (reguł środowiska) wynika to, że osobniki, które mają takie zdolności, im większe one są, tym bardziej będą dominowały, tym szerzej będą obecne w tym świecie. Dlatego uważam eksperymenty z ewolucją swobodną za dużo bardziej interesujące i obiecujące. Są one zarazem trudniejsze i bardziej czasochłonne.
• Te robaczki żyją sobie w komputerze i w sumie można to traktować jako zabawę, ale to ma na pewno jakiś głębszy cel?
• Czasem ma, czasem nie ma. Najbardziej niewinnym celem, chociaż niewątpliwie przynoszącym wymierne dochody, jest zastosowanie tych robaków, wyhodowanych w symulacjach sztucznego życia do wszelkiego rodzaju reklam, tudzież filmów. Ze względu na losowych charakter ewolucji, ze względu na to, że każdy osobnik różni się – mało, ale się różni, zachowuje się trochę inaczej, niewątpliwie jest to interesujące dla producentów reklam i filmów, szczególnie tam, gdzie występują grupy stworzeń: stada ptaków, ławice ryb, stada kangurów, psów, które biegną... na komputerze można symulować takie grupy, w których osobniki powstały na drodze ewolucji. Wykorzystano to w filmach „Król Lew”, „Batman” i innych – i jest to zastosowanie, chociaż niezbyt poważne. W ogóle ze sztucznym życiem jest tak, że wiele osób robi coś i nazywa to sztucznym życiem – nie zawsze to ma jednak cechy wyróżniające sztucznego życia. Ten termin stał się pojemnikiem na różnego rodzaju badania; to tak samo, jak z uczeniem się – często mówi się, że jakieś programy komputerowe uczą się, ale nie zawsze tak jest. Czasem wykorzystuje się jakieś triki, a czasem są to tylko reklamowe chwyty, stosowane po to, by program lepiej się sprzedawał. To, że program jest obdarzony sztuczną inteligencją albo że zastosowano algorytmy ewolucyjne, brzmi bardzo chwytliwie, lecz nie zawsze znajduje naprawdę pokrycie i nie zawsze jest łatwe do sprawdzenia. Wiadomo, że amator nie jest w stanie tego stwierdzić. Ale wracając do zastosowań – wymieniłem reklamy, filmy. Oprócz tego symulacje, które mają mniej wspólnego ze sztucznym życiem, np. symulacje populacji różnych osobników ("sztucznych ludzi") w budynkach pozwalają na określenie, gdzie w razie pożaru lub awarii najlepiej byłoby umieścić wyjścia awaryjne. To jest bardziej praktyczny przykład: symulowanie populacji osobników w panice, które kierują się regułami typu "ratuj się kto może" potrafi wykazać, gdzie są newralgiczne punkty w jakimś budynku, w których powinno się dać możliwość ewakuacji. Oprócz tego symulacje sztucznego życia dają wiele korzyści biologom – dotyczy to prób wywołania zjawisk, które występują w rzeczywistości albo prób obalenia czy udowodnienia pewnych hipotez. Poglądy, że pewne zjawiska są niemożliwe, bo są zbyt nieprawdopodobne, mogą zostać zweryfikowane po odkryciu, że o dziwo w sztucznych warunkach udaje się je odtworzyć. A więc jest to z kolei coś, co daje biologom coraz większą pomoc ze względu na to, że komputery dysponują coraz większą mocą obliczeniową i coraz poważniejsze eksperymenty, coraz bardziej przypominające prawdziwe życie, można na nich przeprowadzać. Innym poważnym zastosowaniem jest hodowanie choćby prostych programów: dotąd programy piszą programiści. A gdyby przeprowadzić ewolucję osobników-programów, która – losowa w swoich podstawowych mechanizmach – byłaby jednak ukierunkowana na wyewoluowanie programu robiącego to, czego użytkownik oczekuje? To dużo tańsze od zatrudniania programistów czy zespołów ekspertów, szczególnie przy prostych zadaniach. Dla różnych prostych systemów sterujących stosuje się takie podejście z dobrym skutkiem.
• A jakie są cechy sztucznego życia – w nawiązaniu do tego, co powiedziałeś?
• Powiedziałem, że niektóre programy nie mają tych cech. Granica jest tutaj dosyć płynna, ale niewątpliwie jakieś cechy da się wyróżnić. Niektórzy symulując grupę osobników o określonych zachowaniach już mówią, że to jest sztuczne życie. Ja takiego czegoś nie nazwałbym sztucznym życiem.
• Czyli musi być ewolucja?
• Nie, nie musi być ewolucja, ale nie starczy symulowanie jakichś stworków czy organizmów o ściśle określonych, narzuconych przez programistę zasadach. Nazwałbym to po prostu symulacją. Myślę, że musi być jakiś aspekt ulepszania się, udoskonalania się, życia w sensie rozwoju, chociaż zdaję sobie sprawę, że niektórzy mogli by powiedzieć, że ponieważ nazwa brzmi „sztuczne życie” (po angielsku artificial life), to wystarczy po prostu w sposób sztuczny symulować cokolwiek związanego z życiem. I nawet jeżeli nie występuje tam aspekt ewolucyjności, ani aspekt uczenia się, ani rozwoju, ani aspekt adaptacji, czyli przystosowania się organizmów, ani wzrostu złożoności, to i tak niektórzy nazwą to sztucznym życiem. Cóż: można jedynie powiedzieć, że są bardziej poważne i mniej poważne symulacje sztucznego życia, niektóre praktycznie bez znaczenia. Niektóre bardzo proste symulacje mają na celu dowodzenie bardzo poważnych hipotez biologicznych. To nie jest tak, że jeżeli ktoś bada, że oko, skrzydła czy sposób budowy pajęczyn mogły powstać na drodze ewolucji (takie doświadczenia były robione) – to potrzebuje bardzo skomplikowanego i wyszukanego symulatora. Tego typu doświadczenia opierają się na o wiele prostszych modelach, niż nasz projekt Framsticks, który naprawdę oferuje bardzo szerokie możliwości, ale z kolei nie jest nakierowany na to, by udowodnić jakąś szczególną hipotezę biologiczną.
• A co ze sztuczną inteligencją?
• No, z wyróżnieniem sztucznej inteligencji jest już właściwie trochę łatwiej, bo pojawia się słowo „inteligencja”. Sztuczne życie to – jak powiedzą niektórzy – nic innego, jak symulacja czegoś, co ma związek z życiem. Tu był też problem, jak określić życie: czy jako zdolność do metabolizmu, czy rozmnażania się, czy przystosowania się do środowiska, czy właśnie jako inteligencję... na pewno bardzo trudno byłoby dopasować życie do którejś z tych definicji. Podobnie jest z definicjami inteligencji, ale ponieważ Sztuczna Inteligencja liczy już sobie kilkadziesiąt lat, jest trochę starsza, to powstały lepiej zdefiniowane ramy. Łatwiej jest rozróżnić, co jest inteligencją, a co nie; na pewno nie chodzi tutaj wyłącznie o zdolność do zapamiętywania wszystkiego (w czym komputer jest bardzo dobry) – chociaż między innymi chodzi i o pamięć, która jest nieodzowna. Chodzi też o zdolność wnioskowania, o zdolność ulepszania swojego zachowania na podstawie wiedzy, którą zdobywamy, by ją wykorzystać w jakichś przyszłych, nieznanych nam w danej chwili sytuacjach. W każdym razie określenie ram Sztucznej Inteligencji jest moim zdaniem prostsze niż określenie ram Sztucznego Życia. Obie dziedziny mają zresztą niemałą część wspólną. Istnieje też pogląd, że sztuczna inteligencja jako dziedzina jest częścią dziedziny sztucznego życia, bo inteligencja jest cechą istot żywych.
• Wiadomo, że komputery nieźle sobie radzą z rozwiązywaniem problemów. A jak to będzie w przyszłości: czy nie będziemy musieli myśleć, czy będą to za nas robiły komputery?
• Nie jest to tak, że komputery nieźle sobie radzą z rozwiązywaniem problemów. Tak naprawdę komputery kiepsko sobie radzą z rozwiązywaniem problemów, chociaż niewątpliwie postęp jest olbrzymi i stąd może ten optymizm. Jednak porównując je do człowieka, jeszcze jest moim zdaniem daleko, daleko, choć oczywiście są i więksi optymiści w tym temacie. Poza tym, komputer jako mózg jest maszyną „bez ciała” i musiałby mieć możliwość wpływania na swoje środowisko – obecnie może tylko „myśleć”. Czy my nie będziemy musieli myśleć? Sądzę, że wraz z postępem przemysłu elektronicznego będzie możliwe tworzenie coraz bardziej inteligentnych, sztucznych tworów i myślę, że prędzej czy później (choć nie w bliskiej przyszłości) może się to skończyć stworzeniem czegoś inteligentniejszego od człowieka, mówię inteligentniejszego w cudzysłowie, bo jak wiemy miara inteligencji jest dosyć trudna do zdefiniowania. Myślę, że powstanie coś, co będzie dla człowieka pomocne w tym sensie, że będzie miało większe możliwości, niż on sam.
• Z tego wniosek, że nie wiadomo, co nas czeka w przyszłości?
• Tak, nie możemy powiedzieć, czy przyszłość będzie różowa, czy czarna; na pewno wszystko zależy od ludzi i od tego, jak oni wykorzystają to, co będą mieli. Zapewne niektórzy będą bardziej odpowiedzialni, a niektórzy mniej odpowiedzialni, tak, jak się to już w historii zdarzało.
• Miejmy nadzieję, że tych bardziej odpowiedzialnych będzie więcej...
• ...albo, że będzie ich mniej, ale będą mieli przewagę – bo to oni będą decydowali o wykorzystaniu takich zdobyczy.
• Dziękuję za rozmowę.

Z Maciejem Komosińskim, współautorem projektu symulacji sztucznego życia rozmawiała Arleta Piwowarczyk.

© 1999 z późniejszymi zmianami M. K.