Самовоспроизводящаяся машина

Самовоспроизводящаяся машина должна обладать способностью получать энергию и исходное сырьё, обрабатывать и превращать его в отдельные комплектующие, а затем собирать их в свою полную копию. Для полного самостоятельного воспроизводства необходимо, чтобы устройство с нуля выпускало все компоненты вплоть до мельчайших — таких как подшипники, соединители и остальные требуемые элементы любой сложности. Маловероятно, чтобы всё это было реализовано в единой структуре, но теоретически возможно в крупном комплексе взаимосотрудничающих машин, или в «фабрике-автомате», способной изготавливать все собственные агрегаты.

Подобная фабрика может создавать горнодобывающих роботов для сбора сырья, строительных роботов для сборки новых машин, а также ремонтных — обслуживающих собственные элементы без участия человека. Главное преимущество такой системы — в её способности быстро и самостоятельно наращивать производственный потенциал без дополнительного человеческого труда. Таким образом, вложения в строительство первого экземпляра могут многократно окупаться без дополнительных эксплуатационных затрат.

Подобные машины не противоречат никаким физическим законам, а базовые технологии, необходимые для создания некоторых из таких систем, уже существуют.

Общая идея машин, способных производить свои собственные копии, насчитывает не одну сотню лет. Одна из первых ссылок встречается в анекдоте о философе Рене Декарт, который, предположив схожесть человеческого тела и машины, получил от королевы Кристины Шведской предложение — «пусть часы сами произведут себе потомство»^[5]. Сэмюэл Батлер ещё в романе «Эревон» (1872) писал, что машины уже способны к самовоспроизводству, хотя воплощают это только с помощью человека^[6], и добавлял, что «машины, создающие оборудование, не обязательно воспроизводят машины своего типа»^[7].

В 1802 году Уильям Пейли впервые изложил телеологический аргумент, рассматривая машины, создающие другие машины^[8]. Он утверждал, что аргумент «кто сделал первые часы» теряет смысл, если часы сами способны создавать свои копии^[9]. Научное исследование самовоспроизводящихся машин предвидел Джон Бернал ещё в 1929 году^[10], а математики вроде Стивен Клини уже в 1930-х создали основы теории рекурсии, получившие теоретические продолжения применительно к самовоспроизведению^[11]. Однако основной акцент многих ранних работ был на архитектуре алгоритмов и обработке информации, а не на физической реализации таких систем.

Первую зрелую концепцию небиологической самовоспроизводящейся системы предложил математик Джон фон Нейман в публичных лекциях 1948–1949 годов, моделируя самовоспроизводящийся кинематический автомат как мысленный эксперимент^[12].^[13] Фон Нейман рассматривал свою машину сугубо абстрактно: она должна была черпать необходимые детали из «моря запасных частей» при помощи манипулятора, собирать собственную копию, а затем копировать информационный носитель с программой. Система включала минимум восемь типов компонентов: четыре логических элемента для передачи сигналов и четыре механических для конструкции и перемещения. Несмотря на теоретическую проработанность, фон Нейман остался неудовлетворён этой моделью ввиду ограниченности строгого математического анализа. Впоследствии он разработал и более абстрактную версию — в виде клеточного автомата^[14]. Оригинальную кинематическую схему фон Неймана популяризировал журнал Scientific American в 1955 году^[15].

В 1956 году математик Эдвард Ф. Мур предложил первую практическую модель реальной самовоспроизводящейся машины, также опубликованную в Scientific American^[16].^[17] Мур рассматривал машины-«растения», использующие солнечную энергию и получающие химикаты из морской воды в прибрежной зоне для собственного питания. В дальнейшем он предполагал создание плавающих фабрик-барж или развертывание подобных устройств в бесполезных для промышленности пустынных зонах. Воспроизведённые таким образом устройства предлагалось разбирать ради деталей для обычной промышленности.

Следующим крупным вкладом стали проработки физика Фримена Дайсона, излагавшиеся им в лекции Ванюксема 1970 года^[18].^[19] Он предлагал три широкомасштабных применения самовоспроизводящихся машин: 1) доставка самовоспроизводящейся системы на спутник Энцелад, где та не только копирует себя, но и строит грузовые космические корабли, отправляющие ледяные глыбы на Марс для терраформирования; 2) сеть солнечных фабрик для пустынь Земли; 3) промышленный набор-репликатор для развивающихся стран. Позднее Дайсон в своих публикациях расширял концепцию, рассматривая, в том числе, самовоспроизводящиеся морские платформы для опреснения воды^[20] и автоматическую межзвёздную разведку (Astrochicken).

В 1980 году NASA при поддержке Американского общества инженерного образования провела семинар и последующий совместный проект «Передовая автоматизация для космических миссий» (англ. Advanced Automation for Space Missions), целью которого было моделирование фабрик, способных к самовоспроизведению ресурсов Луны без необходимости доставки дополнительного оборудования или людей^[21]. Проект прорабатывал вопросы экспоненциального роста производственных мощностей, а также модификации таких фабрик в автоматические межзвёздные зонды.

Концептуальная схема включала электрические вагонетки с компьютерным управлением, подвижные «укладчики», использующие солнечные зеркала для оплавления лунного реголита, и роботизированные погрузчики для открытой добычи сырья. Предполагалось разнообразие технологий переработки, в основном — выщелачивание серной кислотой, а также сборка новых заводов из изготовленных модулей. Электроэнергия поступает с покрытий из солнечных панелей. За изготовление деталей отвечали отдельные участки: литьё в гипсовые формы (легко производимые и пригодные для многократного повторного использования), литьё из расплавленных пород, лазерная резка и сварка.

Особо сложное производство — например, изготовление микросхем — рассматривалось как задача для будущего, а на ранних этапах предлагалось доставлять такие компоненты с Земли. Современные исследования NASA и ряда экспертов продолжают рассматривать такие фабрики как перспективу для добычи полезных ископаемых на астероидах.

Ключевой проблемой для экспансии оставалось наличие хлора (редкого в лунном реголите), необходимого для получения алюминия, что ограничивает темпы самовоспроизводства.

В 1995 году Клаус Лэкнер и Кристофер Вендт, взяв за основу идеи Дайсона о заселении пустынь, предложили схему мобильных роботизированных колоний размером 10–30 см, курсирующих по керамическим путям среди фабричных установок и солнечных полей^[22].^[23][24] Их система предлагала оригинальный способ извлечения основных элементов из почвы, используя высокотемпературные карботермические процессы. Проект был подробно описан в журнале Discover^[25] и получил название «Ауксоны» (от греческого auxein — расти).

Первые эксперименты с быстрым прототипированием (1997–2000 годы) были связаны не столько с самовоспроизведением устройств, сколько с практическим воплощением идей «эволюционной робототехники». В дальнейшем система быстрого прототипирования позволила получать широкий спектр механических и электронных деталей, дав мощный толчок развитию исследований в области самовоспроизведимых систем^[26].

В 1998 году Крис Феникс предложил неформальный проект гидравлически питаемого репликатора: ультрафиолетовое отверждение пластика, флюидный логический контроль. Однако многие технические детали (сборка, погрешности, допуски) остались не проработаны^[27].^[28]

В 2005 году Адриан Бауэр (Университет Бата) начал Проект RepRap — машину быстрого прототипирования, способную самостоятельно изготавливать часть или большинство своих компонентов, что должно сделать такие системы доступными для индивидуального пользования. Проект распространяет чертежи и управляющее ПО под лицензией GNU GPL^[29]. Основной подход RepRap — использование технологии послойного наплавления пластика (FDM); часто путь проводников для будущих электронных схем устраивается сразу. Металлические детали, двигатели, электроника поставляются извне. Уже в 2006 году был получен первый рабочий прототип, а к маю 2008 — машина, способная напечатать все необходимые пластиковые детали своего «потомка».

NASA и её Институт новых концепций (NIAC) в 2002–2003 годах поддерживали проекты по моделированию самовоспроизводящихся систем для космоса. В числе финансируемых исследований были:

• Ход Липсон (Корнеллский университет) — автономные растущие машины для ускорения освоения космоса^[30];
• Грегори Чирикджян (Университет Джонса Хопкинса) — архитектура нелёгируемых (без участия людей) фабрик на Луне^[31];
• Пол Тодд (Space Hardware Optimization Technology Inc.) — роботизированная экопоэзия Луны^[32];^[33]
• Тихамер Тот-Фежел (General Dynamics) — моделирование кинематических клеточных автоматов для самовоспроизведения^[34].^[35] Работа показала, что сложность подобных систем сопоставима с архитектурами Pentium 4, что предопределяет проектирование на базе клеточных автоматов.

В 2005 году команда исследователей из Корнеллского университета (включая Хода Липсона) создала машину, способную к самосборке из четырёх сочленённых кубов — «молекубов», поворачивающихся по диагонали. Такая башня функционирует как робот-манипулятор, способный собирать вторую башню из отдельных кубиков, управляемых программой, загруженной в каждом элементе (аналог ДНК во всех клетках). Однако такие машины не могут самостоятельно создавать исходные «молекубы» — степень их автономии и саморазмножения остаётся спорной^[36].

Под частичным построением понимают ситуацию, когда машина-«родитель» создает лишь часть новой машины, оставляя «потомку» завершить собственное развитие^[37].^[38]

В модели фон Неймана считается, что исходная система строит каждого потомка полностью «под ключ». Частичное построение вносит биологический подход: родитель строит лишь часть машины-«детёныша», после чего не влияет на развитие, которое завершается автономно (аналог развития зиготы у живых организмов).

Самовоспроизводящийся космический аппарат Идея автоматического космического корабля, способного строить свои копии, впервые появилась в научной литературе в 1974 году у Майкла Арбиба^[39][40], хотя ранее эта идея встречалась в научной фантастике. Первый технический анализ создан Фрейтасом в 1980 году: он модифицировал дизайн межзвёздного аппарата «Дедал» под полную автономную репликацию^[41]. Предлагалось доставлять на объект компактную автоматическую «фабрику-семя» (443 т) для экспоненциального наращивания производственных мощностей на месте.

• Зарегистрированы патенты на концепции самовоспроизводящихся машин^[42]. Наиболее существенные включают U.S. Patent 4 734 856, U.S. Patent 5 659 477, U.S. Patent 5 764 518 и U.S. Patent 6 510 359^[43].
• Макроскопические репликаторы упоминаются в книге Дрекслера «Двигатели Созидания»^[3].
• В 1995 году Ник Сзабо предложил построить макрорепликатор из наборов Lego или аналогичных конструкторов^[44].
• В 2004 году Фрейтас и Меркле опубликовали первую всестороннюю монографию по самовоспроизведению — «Кинематические самовоспроизводящиеся машины»^[1] (более 3000 литературных источников), включая новый проект молекулярного сборщика^[45] и математические основы теории репликации^[46][47].

В художественной литературе идея уходит как минимум к пьесе Карела Чапека «R.U.R. (Россумовские универсальные роботы)» (1920)^[48]. Классическая неисправность — сбой в автообслуживании машин, что сформулировал Э. М. Форстер в «Машина останавливается».

А. Э. ван Вогт использовал концепцию как сюжетный ход («M33 в Андромеде», роман «Путешествие Космического Бигля», 1950), где речь шла о самовоспроизводящихся оружейных системах в масштабах галактики. Первым образцом жанра также считается рассказ Филипа К. Дика «Автоматический завод» (1955)^[49][50], а также его же «Вторая разновидность» (1953). У Пола Андерсона («Эпилог», 1962) фабрики-баржи извлекали минералы из океана для производства самокопий^[49].

В рассказе «Крабы на острове» (1958) Анатолия Днепрова показан процесс эволюции самовоспроизводящихся машин: вследствие мутаций потомки всё дальше отличаются от оригинала. Последний выживший краб не может воспроизвести себя из-за нехватки ресурсов. Сходная идея встречалась у Станислава Лема («Непобедимый», 1964): обнаруженная на чужой планете механическая жизнь оказалась плодом миллионов лет независимой эволюции.

Джон Слэдек в пародийной форме исследует тематику в романе «Репродуктивная система» (1968, вариант названия Mechasm), где армия военных роботов выходит из-под контроля^[51]. Проект NASA «Передовая автоматизация для космических миссий» вдохновил роман Джеймса П. Хогана «Код жизни» (1983).

Фильм «Крикуны», основанный на «Второй разновидности» Дика, показывает автоматы — самовоспроизводящиеся боевые машины, сверхпоколения которых становятся всё более опасными и коварными (в том числе принимая вид людей).

В фильме «Терминатор» (1984, режиссёр Джеймс Кэмерон) поднята тема войны человечества с самовоспроизводящейся робототехнической цивилизацией под управлением искусственного интеллекта Skynet. Схожая тематика широко используется в телевидении; например, «Репликаторы» во вселенной Stargate, «Борг» и «наниты» во «Star Trek»^[52][53][54] также могут трактоваться как примеры самовоспроизводящихся машин.

• Роберт Шекли, «Необходимая вещь» — универсальный репликатор обманом побуждается к самовоспроизведению.
• Серия «Берсеркеры» Фред Саберхагена.
• «Кузница Бога» Грега Бира.
• «2010: Одиссея два» Артура Кларка.
• «Мир на исходе времён» Фредерика Пола.
• «Рекурсия» ISBN 0-330-42699-0 Тони Баллантайна.
• «Эволюция» Стивена Бакстера.
• «Спин» Роберта Чарльза Уилсона.
• «Жертва» Майкла Крайтона.
• «Терминал-мен» (1972) Крайтона: описан компьютерный "вирус", похожий по распространению на самовоспроизводящиеся системы.
• Ранние описания вирусов/червей для ЭВМ — «Всадник на волне» (1975) Джона Бруннера, «Подростковый P-1» (1977) Томаса Райана.
• «Звёздная сингулярность» Чарльза Стросса.

С расширением индустриальной автоматизации появлялись предприятия, приближающиеся к самодостаточности, свойственной самовоспроизводящимся машинам^[55]. Однако пока «полное замыкание» производственного цикла остаётся маловероятным^[56] — до тех пор, пока стоимость автоматизации и локального производства не сравняется с доставкой из внешних источников. Как показал Батлер в «Эревоне», фактическое частичное самовоспроизведение уже достижимо для универсальных станков. Однако в целях безопасности реальные разработки вряд ли станут полностью автономными: будет ограничение на автоматическую автономию, использование ресурсов и энергии, во избежание утраты контроля. Полностью самовоспроизводящиеся системы реальнее всего применять для освоения опасных и труднодоступных сред, например, космоса.

Сам репликатор можно рассматривать как разновидность искусственной жизни и потенциальный объект эволюции^[57], хотя надёжная внешняя коррекция ошибок делает маловероятным сценарий выхода таких машин из-под контроля^[58].