Una máquina autorreplicante es un tipo de robot autónomo que es capaz de reproducirse a sí mismo de forma autónoma utilizando materias primas que se encuentran en el medio ambiente, exhibiendo así una autorreplicación de una forma análoga a la que se encuentra en la naturaleza . [1] [2] [3] El concepto de máquinas autorreplicantes ha sido propuesto y examinado por Homer Jacobson , Edward F. Moore , Freeman Dyson , John von Neumann , Konrad Zuse [4] [5] y en tiempos más recientes por K. Eric Drexler en su libro sobre nanotecnología , Engines of Creation (acuñando el término replicador metálico para tales máquinas) y por Robert Freitas y Ralph Merkle en su revisión Kinematic Self-Replicating Machines [6] que proporcionó el primer análisis exhaustivo de todo el espacio de diseño de replicadores. El desarrollo futuro de dicha tecnología es parte integral de varios planes que involucran la minería de lunas y cinturones de asteroides para obtener minerales y otros materiales, la creación de fábricas lunares e incluso la construcción de satélites de energía solar en el espacio. La sonda de von Neumann [7] es un ejemplo teórico de este tipo de 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 autómatas celulares . Cabe destacar que 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. [8] [9]
Una máquina autorreplicante es un sistema autorreplicante artificial que se basa en la tecnología convencional a gran escala y la automatización. 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. En ocasiones se encuentran ciertos términos idiosincrásicos en la literatura. Por ejemplo, el término replicador de ruido metálico fue utilizado alguna vez por Drexler [10] para distinguir los sistemas de replicación a macroescala de los nanorobots microscópicos o " ensambladores " que la nanotecnología puede hacer posibles, pero el término es informal y rara vez es utilizado por otros en discusiones populares o técnicas. Los replicadores también han sido llamados "máquinas de von Neumann" en honor a John von Neumann, quien estudió rigurosamente la idea por primera vez. Sin embargo, el término "máquina de von Neumann" es menos específico y también se refiere a una arquitectura de computadora completamente no relacionada que von Neumann propuso y, por lo tanto, se desaconseja su uso cuando la precisión es importante. [6] Von Neumann utilizó el término constructor universal para describir tales 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 a sí mismas" [11] copiando todas sus partes. En estas discusiones está implícito que un humano dirigiría los procesos de corte (más tarde planificando y programando las máquinas) y luego ensamblaría las partes. Lo mismo es cierto para las RepRaps , que son otra clase de máquinas que a veces se mencionan en referencia a esa "autorreplicación" no autónoma. Tales discusiones se refieren a colecciones de máquinas herramienta, y dichas colecciones tienen una capacidad de reproducir sus propias partes que es finita y baja para una máquina, y asciende a casi el 100% con colecciones de solo una docena de máquinas hechas de manera similar, pero que funcionan de manera única, estableciendo lo que los autores Frietas y Merkle denominan cierre de materia o material. El cierre de energía es la siguiente dimensión más difícil de cerrar, y el control la más difícil, señalando que no hay otras dimensiones para el problema. Por el contrario, las máquinas que son verdaderamente autónomas y se auto-replican (como las máquinas biológicas ) son el tema principal discutido aquí, y tendrían cierre en cada una de las tres dimensiones.
El concepto general de máquinas artificiales capaces de producir copias de sí mismas data de hace al menos varios cientos de años. Una referencia temprana es una anécdota sobre el filósofo René Descartes , quien sugirió a la reina Cristina de Suecia que el cuerpo humano podía ser considerado como una máquina; ella respondió señalando un reloj y ordenando "encargarse de que reproduzca descendencia". [12] 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 hizo hacerlo, [13] y agregó que "las máquinas que reproducen maquinaria no reproducen máquinas según su propia especie" . [14] En el libro de George Eliot de 1879 Impresiones de Teofrasto Tal , una serie de ensayos que escribió en el personaje de un erudito ficticio llamado Teofrasto, el ensayo "Sombras de la raza venidera" especulaba sobre máquinas autorreplicantes, y Teofrasto preguntaba "cómo sé que no pueden estar hechas en última instancia para llevar, o no pueden en sí mismas desarrollar, condiciones de autoabastecimiento, autorreparación y reproducción". [15]
En 1802, William Paley formuló el primer argumento teleológico conocido que describe máquinas que producen otras máquinas, [16] sugiriendo que la cuestión de quién fabricó originalmente un reloj se volvía discutible si se demostraba que el reloj era capaz de fabricar una copia de sí mismo. [17] El estudio científico de las máquinas autorreproductoras fue anticipado por John Bernal ya en 1929 [18] y por matemáticos como Stephen Kleene, quien comenzó a desarrollar la teoría de la recursión en la década de 1930. [19] Sin embargo, gran parte de este último trabajo estuvo motivado por el interés en el procesamiento de información y algoritmos más que por la implementación física de tal sistema. En el transcurso de la década de 1950, se hicieron sugerencias de varios sistemas mecánicos cada vez más simples capaces de autorreproducirse, en particular por Lionel Penrose . [20] [21]
El matemático John von Neumann fue el primero en proponer una detallada propuesta conceptual de una máquina autorreplicante en unas conferencias pronunciadas en 1948 y 1949, cuando propuso un modelo cinemático de autómatas autorreplicantes como experimento mental . [22] [23] El concepto de von Neumann de una máquina autorreplicante física se abordó sólo de forma abstracta, con la máquina hipotética utilizando un "mar" o almacén de piezas de repuesto como fuente de materias primas. La máquina tenía un programa almacenado en una cinta de memoria que le indicaba que recuperara piezas de este "mar" utilizando un manipulador, las ensamblara en una copia de sí misma y luego transfiriera el contenido de su cinta de memoria al nuevo duplicado. La máquina se imaginó compuesta por tan sólo ocho tipos diferentes de componentes: cuatro elementos lógicos para enviar y recibir estímulos y cuatro elementos mecánicos para proporcionar soporte estructural y movilidad. Aunque cualitativamente sólido, von Neumann evidentemente no estaba satisfecho con este modelo de máquina autorreplicante debido a la dificultad de analizarlo con precisión matemática. En lugar de eso, pasó a desarrollar un modelo aún más abstracto de autorreplicador basado en autómatas celulares . [24] Su concepto cinemático original permaneció oscuro hasta que se popularizó en un número de 1955 de Scientific American . [25]
El objetivo de von Neumann para su teoría de autómatas autorreproductores , como se especificó en sus conferencias en la Universidad de Illinois en 1949, [22] era diseñar una máquina cuya complejidad pudiera crecer automáticamente de manera similar a los organismos biológicos bajo selección natural . Se preguntó cuál es el umbral de complejidad que debe cruzarse para que las máquinas puedan evolucionar. [8] Su respuesta fue diseñar una máquina abstracta que, cuando se ejecuta, se replicaría a sí misma. Cabe destacar que 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 Watson y Crick y cómo se traduce y replica por separado en la célula. [8] [9]
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 . [26] [27] Las "plantas vivas artificiales" de Moore fueron propuestas como máquinas capaces de utilizar aire, agua y tierra como fuentes de materias primas y extraer su energía de la luz solar a través de una batería solar o un motor de vapor . Eligió la orilla del mar como hábitat inicial para tales máquinas, dándoles fácil acceso a los químicos del agua de mar, y sugirió que las generaciones posteriores de la máquina podrían diseñarse para flotar libremente en la superficie del océano como barcazas industriales autorreplicantes o para ser colocadas en terrenos desérticos áridos que de otro modo serían inútiles para fines industriales. Los autorreplicantes serían "cosechados" por sus componentes, para ser utilizados por la humanidad en otras máquinas no replicantes.
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. [28] [29] Propuso tres aplicaciones a gran escala de las máquinas replicadoras. La primera fue enviar un sistema autorreplicante a la luna Encélado 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 llevarían bloques de hielo de Encélado a Marte , donde se utilizarían para terraformar el planeta . Su segunda propuesta fue un sistema de fábrica alimentado con energía solar diseñado para un entorno desértico terrestre, y su tercera fue un "kit de desarrollo industrial" basado en este replicador que podría venderse a los países en desarrollo para proporcionarles tanta capacidad industrial como se desee. Cuando Dyson revisó y reimprimió su conferencia en 1979, agregó propuestas para una versión modificada de las plantas artificiales vivas en alta mar de Moore, diseñadas para destilar y almacenar agua dulce para uso humano [30] y el " Astrochicken ".
En 1980, inspirada por un "New Directions Workshop" de 1979 celebrado en Wood's Hole, la NASA llevó a cabo un estudio de verano conjunto con la ASEE titulado Advanced Automation for Space Missions (Automatización avanzada para misiones espaciales) para producir una propuesta detallada de fábricas autorreplicantes para desarrollar recursos lunares sin necesidad de lanzamientos adicionales ni trabajadores humanos en el lugar. El estudio se llevó a cabo en la Universidad de Santa Clara y duró del 23 de junio al 29 de agosto; el informe final se publicó en 1982. [31] El sistema propuesto habría sido capaz de aumentar exponencialmente la capacidad productiva y el diseño podría modificarse para construir sondas autorreplicantes para explorar la galaxia.
El diseño de referencia incluía pequeños carros eléctricos controlados por computadora que se desplazaban sobre rieles dentro de la fábrica, "pavimentadoras" móviles que usaban 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 los constructores que armarían nuevas fábricas a partir de piezas y ensamblajes producidos por su matriz.
La energía se obtendría mediante un "dosel" de células solares sostenido por pilares. El resto de la maquinaria se colocaría debajo del dosel.
Un " robot de fundición " utilizaría herramientas de esculpido y plantillas para hacer moldes de yeso . Se seleccionó yeso porque los moldes son fáciles de hacer, pueden formar piezas precisas con buenos acabados superficiales y el yeso se puede reciclar fácilmente después utilizando un horno para eliminar el agua. Luego, el robot moldearía la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o 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 más 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. [32] Algunos expertos están empezando a considerar 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 que necesita 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.
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 dicho sistema. [33] [34] [35] Propusieron una colonia de robots móviles cooperativos de 10 a 30 cm de tamaño que corran sobre una red de pistas de cerámica 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 superficial del desierto (Na, Fe, Mg, Si, Ca, Ti, Al, C, O 2 y H 2 ) utilizando un proceso carbotérmico de alta temperatura. Esta propuesta se popularizó en la revista Discover , que presentaba equipos de desalinización alimentados con energía solar utilizados para irrigar el desierto en el que se basaba el sistema. [36] Llamaron a sus máquinas "Auxons", de la palabra griega auxein que significa "crecer".
Siguiendo el espíritu del estudio "Automatización avanzada para misiones espaciales" de 1980, 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 fase I:
En 2012, los investigadores de la NASA Metzger , Muscatello, Mueller y Mantovani abogaron por un denominado "enfoque de arranque" para poner en marcha fábricas autorreplicantes en el espacio. [43] 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 modelado mostró que en sólo 20 a 40 años esta industria podría volverse autosuficiente y luego crecer hasta alcanzar un gran tamaño, 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 arranque de la civilización del sistema solar a través de una industria espacial autorreplicante. [44] Kalil solicitó al público que presentara ideas sobre cómo "la Administración, el sector privado, los filántropos, la comunidad de investigación y los narradores pueden promover estos objetivos". Kalil relacionó este concepto con lo que el ex tecnólogo jefe de la NASA Mason Peck ha denominado "Exploración sin masa", la capacidad de fabricar todo lo que hay en el espacio de forma 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. Sólo que está en la forma incorrecta". [45] En 2016, Metzger sostuvo que una industria totalmente autorreplicante puede ser puesta en marcha en varias décadas por astronautas en un puesto de avanzada lunar por un coste total (puesto de avanzada más puesta en marcha de la industria) de aproximadamente un tercio de los presupuestos espaciales de las naciones asociadas a la Estación Espacial Internacional , y que esta industria resolvería los problemas energéticos y ambientales de la Tierra además de proporcionar exploración sin masa. [46]
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 de ellas formada por una hebra corta de ADN. Al tratar cada grupo de tres dobles hélices como una letra de código, pueden (en principio) construir estructuras autorreplicantes que codifiquen grandes cantidades de información. [47] [48]
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. [49]
En 1968, Zellig Harris escribió que "el metalenguaje está en el lenguaje", [50] sugiriendo que la autorreplicación es parte del lenguaje. En 1977, Niklaus Wirth formalizó esta proposición al publicar una gramática determinista libre de contexto autorreplicante . [51] Añadiendo probabilidades a la misma, 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. [52]
El 29 de noviembre de 2021, un equipo del Instituto Wyss de Harvard construyó los primeros robots vivos que pueden reproducirse. [53]
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 , [54] [55] pero el concepto había aparecido antes en la ciencia ficción, como la novela de 1967 Berserker de Fred Saberhagen o la trilogía de novelas cortas de 1950 El viaje del Beagle espacial de AE van Vogt . El primer análisis de ingeniería cuantitativo de una nave espacial autorreplicante fue publicado en 1980 por Robert Freitas , [56] 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 era utilizar la sonda para entregar una fábrica de "semillas" con una masa de aproximadamente 443 toneladas a un sitio distante, hacer que la fábrica de semillas replicara muchas copias de sí misma allí para aumentar su capacidad de fabricación total y luego utilizar el complejo industrial automatizado resultante para construir más sondas con una sola fábrica de semillas a bordo cada una.
A medida que el uso de la automatización industrial se ha expandido con el tiempo, algunas fábricas han comenzado a acercarse a una apariencia de autosuficiencia que sugiere máquinas autorreplicantes. [57] Sin embargo, es poco probable que dichas fábricas logren un "cierre total" [58] 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 sea más económica que transportarlos desde otro lugar. Como Samuel Butler ha señalado en Erewhon , la replicación de fábricas de máquinas herramienta universales parcialmente cerradas ya es posible. Dado que la seguridad es un objetivo principal de toda consideración legislativa de regulación de dicho desarrollo, los esfuerzos de desarrollo futuros pueden limitarse a sistemas que carecen de control, materia o cierre energético. Los replicadores de máquinas completamente capaces son más útiles para desarrollar recursos en entornos peligrosos a los que no se puede llegar fácilmente con los sistemas de transporte existentes (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. [59] Sin embargo, con una corrección de errores robusta y la posibilidad de una intervención externa, el escenario común de ciencia ficción de vida robótica fuera de control seguirá siendo extremadamente improbable en el futuro previsible. [60]
Los autores que han utilizado máquinas autorreplicantes en obras de ficción incluyen: Phillip K Dick , [2] Arthur C Clarke , [2] Karel Čapek ( RUR : Rossum's Universal Robots (1920)), [2] [1] John Sladek ( The Reproductive System ), [2] Samuel Butler ( Erewhon ), [2] , Dennis E. Taylor [61] y EM Forster ( The Machine Stops (1909)). [1]
La fuente de energía podría ser solar o posiblemente basada en radioisótopos, dado que los nuevos compuestos basados en líquidos pueden generar energía sustancial a partir de la desintegración radiactiva.