Самовідтворювана машинаТакож можливий переклад назви — «Самореплікаційна машина». () — особливий тип автономних роботів, що здатні відтворювати себе самостійно, використовуючи сировину із довкілля, таким чином уподібнюючись до природного процесу самовідтворення.
Самовідтворюючі машини — це тип автономного робота, який здатний самостійно відтворювати себе, використовуючи сировину, знайдену в навколишньому середовищі, таким чином демонструючи самовідтворення способом, аналогічним тому, що зустрічається в природі. Концепція самовідтворювальних машин була висунута та розглянута Гомером Джекобсоном, Едвардом Ф. Муром, Фріменом Дайсоном, Джоном фон Нейманом, Конрадом Цузе, а останнім часом К. Еріком Дрекслером у його книзі про нанотехнології, (Машини творення: Прийдешня ера нанотехнології) і Роберт Фрейтас і Ральф Меркл у своєму огляді Кінематичні самовідтворювальні машини , який надав перший всебічний аналіз усього простору дизайну реплікатора. Майбутній розвиток такої технології є невід’ємною частиною кількох планів, які передбачають видобуток руди та інших матеріалів на супутниках і поясах астероїдів, створення місячних заводів і навіть будівництво супутників сонячної енергії в космосі. Зонд фон Неймана є одним з теоретичних прикладів такої машини. Фон Нейман також працював над тим, що він назвав універсальним конструктором, самовідтворюваною машиною, яка могла б розвиватися і яку він формалізував у середовищі клітинних автоматів. Примітно, що схема самовідтворюваних автоматів фон Неймана стверджувала, що відкрита еволюція вимагає копіювання успадкованої інформації та передачі нащадкам окремо від самовідтворювальної машини, розуміння, яке передувало відкриттю структури молекули ДНК Вотсоном і Кріком. і як він окремо транслюється та реплікується в клітині.
Концепт Концепції самовідтворюваних машин висували і досліджували Гомер Якобсон, Едвард Мур, Фрімен Дайсон, Джон фон Нейман, Конрад Цузе (272+4 сторінок), пізніше — Ерік Дрекслер у своїй книзі про нанотехнології «Машини творення» () (ввівши термін клацаючий реплікатор () для таких машин), Ральфом Мерклом у своєму дослідженні «Кінематичні самовідтворювані машини» () в якому вперше було проведено комплексний аналіз усіх конструкцій реплікаторів.
Теоретичним прикладом такої машини є Самовідтворюваний космічний апарат. Джон Нейман також працював над — самовідтворюваною машиною, яка могла б «еволюціонувати», і яку він формалізував у середовищі клітинних автоматів. Зокрема, схема самовідтворюваних автоматів фон Неймана стверджувала, що відкрита еволюція вимагає, щоб успадкована інформація копіювалася і передавалася нащадкам окремо від автомата. Ідея існувала до відкриття Джеймсом Вотсоном і Френсісом Кріком структури молекули ДНК, а також способу її трансляції і реплікації в клітині.
Терміни У науковій літературі зустрічаються специфічні терміни, наприклад, термін клацаючий реплікатор () колись використовував Дрекслер , щоб відрізнити макромасштабні реплікаційні системи від мікроскопічних нанороботів або «асемблерів», які можуть стати можливими завдяки нанотехнологіям, але цей термін є неофіційним і рідко вживається іншими вченими в науково-популярних або технічних дискусіях. Реплікатори також називають «машинами фон Неймана», на честь Джона фон Неймана, який вперше ретельно дослідив цю ідею. Однак термін «машина фон Неймана» є менш конкретним і також відноситься до абсолютно не пов'язаної з комп'ютерною архітектурою, яку запропонував фон Нейман, тому його використання не рекомендується там, де важлива точність. Сам фон Нейман використовував термін | для опису таких машин, що самовідтворюються.
Історики верстатів, ще до ери ЧПК, іноді говорили, що верстати — це унікальний клас машин, оскільки «вони здатні відтворювати себе», копіюючи всі свої частини. У цих дискусіях малося на увазі, що людина має керувати процесами різання (а пізніше й плануванням і програмуванням верстатів), а потім збирати деталі. Те саме можна сказати і про RepRap — ще один клас машин, який іноді згадують у зв'язку з таким неавтономним «самовідтворенням».
Історія Загальна концепція штучних машин, здатних створювати свої копії, налічує щонайменше кілька сотень років. Першою згадкою є анекдот про філософа Рене Декарта, який запевняв королеву Швеції Христину, що тварини є лише ще однією з форм механічних автоматів, Її Величність вказала на годинник і сказала «подбати про те, щоб він давав потомство». Існує також кілька інших варіацій цього анекдоту.
Семюель Батлер у своєму романі «Идукін, або за межею» () припустив, що машини вже здатні відтворювати себе, і саме людина змусила їх це робити, і додав, що «машини реплікують себе не за своїм типом».
У книзі Джорджа Еліота , збірці есе, які вона написала від імені вигаданого вченого Теофраста, в есе «Тіні прийдешньої раси» розмірковується про самовідтворювані машини, і Теофраст запитує: «Звідки мені знати, що вони [машини] не можуть бути врешті-решт створені для того, щоб змінювати умови для самозабезпечення, самовідновлення і врешті-решт самовідтворення? Або що вони самі по собі не зможуть еволюціонувати в умовах самозабезпечення, самовідтворення і самовідтворення?».
У 1802 році Вільям Пейлі сформулював перший відомий телеологічний аргумент, який описує машин, що відтворюють себе. Припустивши, що питання , стає неактуальним, якщо буде доведено, що годинник здатен відтворювати свою копію.
Наукове вивчення машин, що дублікують себе, було передбачене Джоном Берналом ще в 1929 році і математиком Стівеном Кліні, який почав розробляти теорію рекурсії в 1930 роках. Однак більша частина останньої роботи була мотивована інтересом до обробки інформації та алгоритмів, а не до фізичної реалізації такої системи. Протягом 1950 років було запропоновано кілька дедалі простіших механічних систем, здатних до самовідтворення, зокрема, .
Кінематична модель фон Неймана Детальний концепт самовідтворюваної машини вперше висунув математик Джон фон Нейман у лекціях, прочитаних у 1948 і 1949 роках, коли він запропонував кінематичну модель самовідтворюваних автоматів як уявний експеримент.
Концепція фізичної самовідтворюваної машини фон Неймана розглядалася абстрактно: гіпотетична машина використовувала «море» або «склад запасних частин» як джерело сировини. Машина мала програму, записану на стрічці пам'яті, яка наказувала їй діставати деталі з цього «моря» за допомогою маніпулятора, збирати їх у свою копію, а потім копіювати вміст своєї стрічки пам'яті в порожню копію.
За задумом, машина складалася лише з восьми різних типів компонентів: чотирьох логічних елементів, які надсилали та отримували стимули, і чотирьох механічних елементів, які забезпечували структурний каркас і мобільність. Хоча ця модель самовідтворюваної машини була якісно обґрунтованою, фон Нейман був незадоволений нею через складність її математичного аналізу. Натомість він розробив ще більш абстрактну модель самовідтворювача, засновану на клітинних автоматах. Його оригінальна кінематична концепція залишалася невідомою, доки її не популяризували у випуску журналу Scientific American за 1955 рік.
Метою фон Неймна, як зазначалося в його лекціях в університеті Іллінойсу у 1949 році, було створення машини, складність якої могла б автоматично зростати подібно до біологічних організмів під дією природного добору. Він запитав, який поріг складності повинен бути перетнутий для того, щоб машини могли «еволюціонувати». Його відповіддю стала розробка абстрактної машини, яка б самовідтворювалася після запуску. Зокрема, його проэкт передбачає, що «відкрита еволюція» вимагає, щоб успадкована інформація копіювалася і передавалася нащадкам окремо від машини. Цікаво, що цей концепт передував відкриттю Джеймсом Ватсоном і Френсісом Кріком структури молекули ДНК і того, як вона окремо транслюється і реплікується в клітині..
Штучні рослини Мура У 1956 році математик Едвард Мур запропонував першу концепцію самовідтворюваної машини, також опубліковану у Scientific American. «Штучні живі рослини» Мура були представлені як машини, що здатні використовувати повітря, воду і ґрунт як джерела сировини і отримувати енергію від сонячного світла за допомогою сонячної батареї або парового двигуна. Він обрав морське узбережжя як початкове середовище існування для таких машин, що давало б їм легкий доступ до хімічних речовин у морській воді. Також він припустив, що наступні покоління машин можуть бути спроєктовані так, щоб вільно плавати на поверхні океану як самовідтворювані фабричні баржі або бути розміщеними в безплідній пустельній місцевості, яка в іншому випадку була б непридатною для промислових цілей. самовідтворювані машини будуть «розбиратися» на складові частини, які людство зможе використовувати в інших машинах, що не відтворюють себе.
Реплікаційні системи Дайсона Наступним важливим розвитком концепції машин, що самовідтворюються, стала серія уявних експериментів, запропонованих фізиком Фріменом Дайсоном у його Вануксемській лекції 1970 року. Він запропонував три широкомасштабні застосування машин-реплікаторів. Перший — відправити самовідтворювану систему на супутник Сатурна — Енцелад, яка, окрім виробництва копій самої себе, була б також запрограмована на виробництво і запуск вантажних космічних кораблів на сонячних вітрилах. Ці космічні кораблі доправлятимуть брили льоду Енцелада на Марс, де їх можна буде використати для тераформування планети. Другою його пропозицією була система заводів на сонячних батареях, призначена для земних пустель, а третьою — «набір для промислового розвитку» на основі цього реплікатора, який можна було б продавати країнам, що розвиваються, щоб забезпечити їм стільки промислових потужностей, скільки вони захочуть. Коли Дайсон переглянув і перевидав свою лекцію в 1979 році, він додав пропозиції щодо модифікованої версії морських штучних живих рослин Мура, призначених для дистиляції та зберігання прісної води для використання людиною, а також .
Передова автоматизація для космічних місій У 1980 році НАСА спільно з провело дослідження під назвою «Передова автоматизація для космічних місій» () натхненне «Майстернею нових напрямків» () 1979 року, проведеним у Вудс-Гоул, для розробки концепції самовідтворюваних фабрик для видобування місячних ресурсів без необхідності запусків додаткових зондів або екіпажу. Дослідження проводилося в Університеті Санта-Клари і тривало з 23 червня по 29 серпня, а остаточний звіт був опублікований у 1982 році. Запропонована система могла б експоненціально збільшувати продуктивність, а її конструкцію можна було б модифікувати для створення самовідтворюваних зондів для дослідження галактики.
Основний проєкт включав у себе невеликі електричні вагонетки з комп'ютерним управлінням, що рухалися по рейках всередині заводу. Мобільні «асфальтоукладальники» () використовують великі параболічні дзеркала для фокусування сонячного світла на місячний реголіт, щоб розплавити і спекти його в тверду, придатну для забудови, поверхню. Роботизовані навантажувачі займаються видобутком корисних копалин з поверхні. Сирий місячний реголіт буде очищуватися різними методами, в першу чергу, вилуговуванням фтористоводневою кислотою. Великі транспортні засоби з різноманітними маніпуляторами та інструментами були запропоновані як конструктори, які б збирали нові фабрики з деталей і вузлів, вироблених їхніми попередниками.
Електроенергію забезпечував би «купол» із сонячних батарей, які б трималися на стовпах. Інша техніка буде розміщена під «куполом».
«Робот-ливарник» використовував би інструменти для скульптури та шаблони для виготовлення гіпсових виливниць. Гіпс був обраний тому, що з нього легко виготовляти форми, можна виготовити точні деталі з гарною обробкою поверхні, також гіпс можна легко переробити за допомогою печі (яка випарить воду). Робот відливатиме більшість деталей або з неелектропровідної розплавленої гірської породи (базальту), або з очищених металів. Для різання та зварювання була включена система вуглекислотного лазеру.