العالم الرائع للأتمتة الخلوية

إذا وجدت فركتلات مثل مجموعة ماندلبروت رائعة، ولكنك لا تعرف شيئًا عن الآلات الخلوية، فقم بربط حزام الأمان الخاص بك. سنقدم هنا هذا المجال الباطني غير المستحق من الرياضيات، ونستكشف الأمثلة العملية، ونكشف لماذا يولد هذا النوع من المحاكاة المجردة أشكالًا مذهلة من التعقيد، ويحمل مفاتيح فتح الظواهر العلمية العميقة. إن عالم الآلات الخلوية الرائع قد يقدم دليلا على أننا نعيش في محاكاة.

أبسط ساعة وأكثرها تعقيدًا على الإطلاق؟

قبل أن نتعمق، دعونا نثير فضولك بهذا الفيديو. وكما سترون، فإنها تتشكل تدريجياً من مجموعة من البكسلات المتحركة، إلى ساعة رقمية عاملة.

وماذا في ذلك؟

بداية، لاحظ أن الساعة تمثل شكلاً حقيقيًا للنشوء. فالنشوء موجود في الطبيعة، حيث تؤدي الأنظمة البسيطة بطريقة غامضة إلى ظهور سلوكيات شديدة التعقيد.

على سبيل المثال، النمل والنحل والنمل الأبيض هي مخلوقات أساسية ذات سلوكيات بسيطة محدودة للغاية. ومع ذلك، فإنها تشكل كائنات حية خارقة ذات سلوكيات معقدة للغاية، مثل النحل الذي يعدل بدقة درجة حرارة الخلية، والنمل يجمع نفسه في طوف لعبور النهر أو النجاة من الفيضان .

تظهر الساعة أعلاه بالمثل من محاكاة بسيطة للغاية (يمكنك التفكير في البيكسلات مثل النمل)، مما يعطي مثالًا مثيرًا للاهتمام للأتمتة الخلوية. الآن دعونا ندخل في ما هو عليه في الواقع.

ما هي الأتمتة الخلوية؟

الآلات الخلوية في الأصل بواسطة جون فون نيومان. ثم في عام 1970، قام عالم الرياضيات جون كونواي بتحسين النهج لإنشاء لعبة كونواي للحياة . بالمناسبة، إذا كنت تريد اكتشاف بيضة عيد الفصح من المهووسين في Google، فحاول البحث في Google عن "لعبة الحياة لكونواي".

هذا الإصدار هو أيضًا الأسهل في الفهم، ويحتوي فقط على أربع قواعد بسيطة جدًا حول الطريقة التي تتصرف بها الخلايا على الشبكة المربعة. تأمر القواعد بشكل أساسي الخلايا بأن تكون حية أو ميتة (أسود أو أبيض)، وفقًا لحالة الخلايا المجاورة. وهذا كل شيء.

يمكنك تجربة الشيء الحقيقي في متصفحك هنا . ما عليك سوى إيقاف المحاكاة، والنقر على أي عدد من الخلايا لإعادتها إلى الحياة، ثم النقر على ابدأ.

إذا قمت بتجربتها، فمن المحتمل أن تلاحظ واحدًا من ثلاثة أشياء.

1. تموت الخلايا أو تصبح راكدة، وتنتهي عملية المحاكاة بشكل فعال.

2. تتشكل الخلايا في هياكل صغيرة ومستقرة مثيرة للاهتمام تتنقل بين حالتين.

3. يبدو أن الخلايا تعود إلى الحياة وتبدأ في القيام بأشياء غير عادية مثل تشكيل هياكل صغيرة تشبه سفينة الفضاء التي تنزلق إلى المجهول (يطلق عليها على نحو مناسب "الطائرات الشراعية").

رواية، ولكن ليست ملهمة تماما.

ومع ذلك، اعتمادًا على الخلايا التي تحددها، يمكن أن تبدأ أشياء غريبة في الحدوث. والدليل على ذلك هو أن الساعة التي قدمناها سابقًا، تم إنشاؤها في الواقع من تكوين محدد في لعبة الحياة لكونواي. ومن ثم فمن المحتمل أنها أبسط ساعة رقمية تعمل على الإطلاق.

باستثناء أنه من الناحية الفنية، لم يتم إنشاؤه. بل إنها منظمة ذاتيًا من خلال شروط البداية الأساسية للمحاكاة.

يمكنك استكشاف نسخة حية من محاكاة الساعة هنا . تذكر أن هناك ثلاثة أشياء فقط تلعب دورًا: خلايا البداية، والقواعد الأساسية، والتكرار التكراري.

ماذا يحدث؟

لقد فتنت الأوتوماتية الخلوية العقول اللامعة لعقود من الزمن، لأنها، على عكس الطبيعة، عبارة عن نظام محدد بوضوح ومحدود بشكل حتمي. والذي، وفقًا للحدس، لا ينبغي أن يكون قادرًا على فعل أي شيء معقد. ومع ذلك فإنهم يفعلون ذلك.

لذلك، فهي تمثل شكلًا نقيًا جدًا من الظهور الذي يمكن دراسته. ومع ذلك، هذا هو المكان الذي تتعمق فيه الأمور، لأنها تعرض أيضًا شيئًا يُشار إليه بالقابلية الحسابية غير القابلة للاختزال .

وهذا يعني أنه على الرغم من أن المحاكاة بسيطة للغاية ومحددة تمامًا، إلا أنه لا توجد طريقة أساسية للتنبؤ بما سيحدث، بخلاف إجراء محاكاة محددة لمعرفة ذلك. لا توجد في الأساس اختصارات تنبؤية.

وهنا أيضًا يأتي دور نظرية الفوضى (فكر في أجنحة الفراشة)، لأن التغيير البسيط في ظروف البداية يمكن أن يغير النتائج بشكل كبير. على سبيل المثال، وجود خلية واحدة فقط في موضع مختلف بالنسبة للساعة المذكورة أعلاه، يمكن أن يمنعها من الظهور على الإطلاق.

وهناك المزيد...أكثر من ذلك بكثير

ويبدو أنه لا توجد حدود عليا للتعقيد الذي يمكن توليده باستخدام هذا النهج فقط. ومع وجود قوة حاسوبية كافية، يمكن أن تكون الشبكة أكبر بكثير مع المزيد من خلايا البداية، وتستمر عملية المحاكاة لفترة أطول بكثير.

قدم ستيفن ولفرام دليلاً رياضيًا على أن الأوتومات الخلوية هي كاملة تورينج ، حيث يمكن في النهاية تحقيق جميع الحالات الممكنة باستخدام قواعد معينة.

الآن هذا هو المكان الذي تصبح فيه الأمور مثيرة للاهتمام حقًا من المنظور العلمي والحسابي، لأنه حتى شيء أساسي مثل "لعبة الحياة" لكونواي، يمكنه أيضًا إنشاء حسابات وظيفية.

من المرجح أن تظهر أنواع معينة من هياكل الخلايا، مثل الطائرات الشراعية. يمكن أن تنتقل هذه إلى هياكل أخرى، وإما أن تتفاعل ثم تطير خارج الهيكل سليمًا، أو يتم ابتلاعها وتختفي فعليًا.

يحاكي هذا السلوك البوابة المنطقية ، أي التفاعل الذي ينتج 1 أو 0، وهو جانب مهم من الطريقة التي تعالج بها أجهزة الكمبيوتر المعلومات. وبالمثل، يمكن أيضًا إنشاء بوابات NAND، والتي تستخدمها كل من أجهزة الكمبيوتر والخلايا العصبية لإطلاق إشارة فقط عند الوصول إلى عتبة معينة.

تتيح هذه الخصائص للأتمتة الخلوية أن تكون قادرة على أن تصبح آلات تورينج عالمية، مما يعني أنها يمكن أن تحاكي أي آلات أو أجهزة كمبيوتر أخرى.

باستقراء هذه المفاهيم إلى الدرجة التاسعة، مع ما يكفي من القوة الحاسوبية والوقت، من المفترض أن الأتمتة الخلوية يمكن أن تولد محاكاة معقدة للغاية قادرة على إنتاج الذكاء، وربما توفير طريق أكثر عضوية للذكاء العام الاصطناعي .

الذهاب إلى المستوى التالي

لقد ذكرنا سابقًا أن لعبة الحياة لكونواي هي أحد الأشكال الأساسية للأتمتة الخلوية. هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تنويع نهج المحاكاة هذا بناءً على القواعد المطبقة، أو على سبيل المثال، باستخدام شبكة ثلاثية الأبعاد، أو حتى أبعاد أكثر (وهو ما تسمح به الرياضيات تمامًا).

ويمكن أيضًا دمجها مع الشبكات العصبية لتوجيه عمليات المحاكاة نحو النتائج المرجوة. في السنوات الأخيرة، أحرزت الأبحاث في هذا المجال تقدمًا سريعًا، وحققت بعض النتائج المذهلة.

وقد كشف استكشاف هذه الاختلافات عن أجهزة آلية تظهر سلوكًا عضويًا مدهشًا، بما في ذلك ما يعادل الخلايا البيولوجية ذات الأغشية الوظيفية. وهنا بعض الأمثلة.

إحدى الأوراق البحثية المميزة بعنوان " نمو الأتوماتا الخلوية العصبية "، مثل هذه التقنيات لتكرار لغز الطبيعة المسمى " التشكل" . تم العثور على التشكل في مخلوقات مثل الديدان المفلطحة، حيث إذا تم قطعها إلى نصفين، ستنمو دودتان مفلطحتان كاملتان جديدتان.

في هذا البحث، استخدموا تدريب الشبكة العصبية لاكتشاف أنماط الأتمتة الخلوية التي يمكنها إنشاء صورة مستقرة، ضمن محاكاة تفاعلية.

عندما تضطرب الصورة، مثل تقطيعها إلى نصفين، فإنها تتجمع من جديد ذاتيًا، أو تنمو لتصبح صورتين جديدتين. لا يزال هذا التكرار الوثيق للتشكل مشفرًا في ظروف بدء وقواعد محاكاة بسيطة جدًا.

يمكنك تجربة المحاكاة التفاعلية بنفسك هنا ، باستخدام صورة السحلية بشكل مناسب.

ماذا يعني كل هذا؟

هناك بعض الوجبات السريعة العميقة.

أولاً، ابتكر جون فون نيومان بشق الأنفس التكرارات الأولى للأتمتة الخلوية باستخدام القلم والورق فقط. وهذا يسلط الضوء على نقطة رئيسية وهي أن عمليات المحاكاة بدائية للغاية، ولكن من البساطة المجردة، تنشأ سلوكيات معقدة للغاية. ويبدو أن هذا البعد الخفي للتعقيد متأصل، ونحن الآن نكتشفه للتو.

ثانيًا، يمكن محاكاة الأنظمة الفوضوية والنشوء الذي نراه في الأنظمة الطبيعية من خلال الآليات الخلوية، مما يعني أنه من المحتمل جدًا أنها تحمل بعض الأسرار لطبيعة الحياة نفسها. إذا كان الأمر كذلك، فنظرًا لأن عمليات المحاكاة تعتمد بشكل أساسي على معالجة المعلومات، فإن الثراء الذي نراه يخرج من الطبيعة قد يكون هو نفسه أيضًا.

أخيرًا وليس آخرًا، من المحتمل أننا بالكاد خدشنا سطح ما يمكن أن تصبح عليه الآلات الخلوية. من خلال تطبيق الزيادات الهائلة في العمليات الحسابية، من الممكن أن تظهر عمليات محاكاة تظهر ثراء وتعقيد عالمنا. بل من الممكن أن يمتلكوا القوة الحسابية الافتراضية لإنشاء نسخ أو تكرارات لمثل هذه المحاكاة الجديدة داخل أنفسهم.

إذا افترضنا أن هذا الأمر قابل للتحقيق، فإنه يطرح سؤالًا خطيرًا للغاية: "هل نعيش في المصفوفة". إذا لم تكن على دراية بنظرية المحاكاة، فإن العديد من العلماء الموقرين في مختلف التخصصات يعتقدون أنه من الممكن محاكاة واقعنا - مع نظريات معقولة جدًا تدعمها.

إذا لم يكن الأمر كذلك، فإنه يثير سؤالاً آخر: لماذا يمكن تكرار واقعنا من خلال هذا الشكل من الظهور؟ مهما كانت الفكرة، فإن الآلات الخلوية رائعة بشكل رائع.

إذا كنت ترغب في التعمق في هذا الموضوع، فقد Machine Learning Street Talk مقطع فيديو رائعًا لإجراء مقابلات مع خبراء في هذا الموضوع في أحدث التطورات.

‍