Una máquina autorreplicante es un tipo de robot autónomo que es capaz de reproducirse de forma autónoma utilizando materias primas que se encuentran en el entorno, exhibiendo así una autorreplicación de una forma análoga a la que se encuentra en la naturaleza . El concepto de máquinas autorreplicantes ha sido propuesto y examinado por Homer Jacobson , Edward F. Moore , Freeman Dyson , John von Neumann , Konrad Zuse [1] [2] y en tiempos más recientes por K. Eric Drexler en su libro sobre nanotecnología , Engines of Creation (acuñando el término replicador metálico para este tipo de máquinas) y por Robert Freitas y Ralph Merkle en su revisión Kinematic Self-Replicating Machines [3] , 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 extracción de minerales y otros materiales en lunas y cinturones de asteroides , la creación de fábricas lunares e incluso la construcción de satélites de energía solar en el espacio. La sonda von Neumann [4] es un ejemplo teórico de tal 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 autómata celular . En particular, 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 parte de Watson y Crick. y cómo se traduce y replica por separado en la celda. [5] [6]
Una máquina autorreplicante es un sistema artificial autorreplicante que se basa en tecnología y automatización convencionales a gran escala. 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. Ocasionalmente se encuentran en la literatura ciertos términos idiosincrásicos. Por ejemplo, Drexler [7] utilizó alguna vez el término replicador ruidoso 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 lo utilizan otras personas en debates populares o técnicos. . Los replicadores también han sido llamados "máquinas von Neumann" en honor a John von Neumann, quien fue el primero en estudiar rigurosamente la idea. Sin embargo, el término "máquina de von Neumann" es menos específico y también se refiere a una arquitectura de computadora completamente ajena que propuso von Neumann, por lo que se desaconseja su uso cuando la precisión es importante. [3] Von Neumann utilizó el término constructor universal para describir este tipo de 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" [8] copiando todas sus partes. Implícito en estas discusiones está que un humano dirigiría los procesos de corte (más tarde planificaría y programaría las máquinas) y luego ensamblaría las piezas. Lo mismo ocurre con los RepRaps , que son otra clase de máquinas que a veces se mencionan en referencia a dicha "autorreplicación" no autónoma. Por el contrario, las máquinas que son verdaderamente autorreplicantes de forma autónoma (como las máquinas biológicas ) son el tema principal que se analiza aquí.
El concepto general de máquinas artificiales capaces de producir copias de sí mismas se remonta al menos a varios cientos de años. Una de las primeras referencias es una anécdota sobre el filósofo René Descartes , quien sugirió a la reina Cristina de Suecia que el cuerpo humano podía considerarse como una máquina; ella respondió señalando un reloj y ordenando "ocúpate de que reproduzca descendencia". [9] También existen varias otras variaciones de esta respuesta anecdótica. Samuel Butler propuso en su novela Erewhon de 1872 que las máquinas ya eran capaces de reproducirse a sí mismas, pero fue el hombre quien las obligó a hacerlo, [10] y añadió que "las máquinas que reproducen maquinaria no reproducen máquinas según su propia especie" . [11] En el libro de George Eliot de 1879 Impressions of Theophrastus Such , una serie de ensayos que ella escribió en el personaje de un erudito ficticio llamado Theophrastus, el ensayo "Shadows of the Coming Race" especulaba sobre máquinas autorreplicantes, con Theophrastus preguntando " ¿Cómo puedo saber si en última instancia no podrán llevar a cabo, o no podrán evolucionar en sí mismos, condiciones de autoabastecimiento, autorreparación y reproducción? [12]
En 1802, William Paley formuló el primer argumento teleológico conocido que representaba máquinas que producían otras máquinas, [13] sugiriendo que la cuestión de quién fabricaba originalmente un reloj se volvía discutible si se demostraba que el reloj era capaz de fabricar una copia de sí mismo. [14] El estudio científico de las máquinas autorreproductoras fue anticipado por John Bernal ya en 1929 [15] y por matemáticos como Stephen Kleene , quien comenzó a desarrollar la teoría de la recursividad en la década de 1930. [16] Sin embargo, gran parte de este último trabajo estuvo motivado por el interés en el procesamiento de información y los algoritmos más que en la implementación física de dicho sistema. En el transcurso de la década de 1950, Lionel Penrose hizo sugerencias sobre varios sistemas mecánicos cada vez más simples capaces de autorreproducirse . [17] [18]
El matemático John von Neumann presentó por primera vez una propuesta conceptual detallada para una máquina autorreplicante en conferencias pronunciadas en 1948 y 1949, cuando propuso un modelo cinemático de autómatas autorreplicantes como experimento mental . [19] [20] El concepto de Von Neumann de una máquina física autorreplicante se abordó sólo de manera abstracta, con la máquina hipotética utilizando un "mar" o almacén de piezas de repuesto como fuente de materia prima. La máquina tenía un programa almacenado en una cinta de memoria que le ordenaba recuperar partes de este "mar" usando un manipulador, ensamblarlas en un duplicado de sí misma y luego copiar el contenido de su cinta de memoria en la del duplicado vacío. Se concibió que la máquina constaría de tan solo ocho tipos diferentes de componentes; cuatro elementos lógicos que envían y reciben estímulos y cuatro elementos mecánicos utilizados para proporcionar un esqueleto estructural y movilidad. Aunque cualitativamente sólido, von Neumann estaba evidentemente insatisfecho con este modelo de máquina autorreplicante debido a la dificultad de analizarlo con rigor matemático. En su lugar, desarrolló un modelo de autorreplicación aún más abstracto basado en autómatas celulares . [21] Su concepto cinemático original permaneció oscuro hasta que se popularizó en una edición de 1955 de Scientific American . [22]
El objetivo de Von Neummann para su teoría de los autómatas autorreproductores , como lo especificó en sus conferencias en la Universidad de Illinois en 1949, [19] era diseñar una máquina cuya complejidad pudiera crecer automáticamente de manera similar a los organismos biológicos bajo selección natural . Preguntó cuál es el umbral de complejidad que se debe cruzar para que las máquinas puedan evolucionar. [5] Su respuesta fue diseñar una máquina abstracta que, cuando se ejecutara, se replicaría a sí misma. En particular, 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 parte de Watson y Crick y cómo se divide por separado. traducido y replicado en la célula. [5] [6]
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 . [23] [24] Las "plantas vivas artificiales" de Moore fueron propuestas como máquinas capaces de utilizar el aire, el agua y el suelo como fuentes de materias primas y extraer su energía de la luz solar a través de una batería solar o una máquina de vapor . Eligió la orilla del mar como hábitat inicial para tales máquinas, dándoles fácil acceso a los químicos en el agua de mar, y sugirió que las generaciones posteriores de la máquina podrían diseñarse para flotar libremente en la superficie del océano como barcazas factoría autorreplicantes o para ser colocadas en un terreno desértico y árido que de otro modo sería inútil 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. [25] [26] Propuso tres aplicaciones a gran escala de replicadores de máquinas. El primero fue enviar un sistema autorreplicante a Encelado , la luna 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 transportarían bloques de hielo de Encelada 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 desearan. Cuando Dyson revisó y reimprimió su conferencia en 1979, añadió propuestas para una versión modificada de las plantas vivas artificiales marinas de Moore que estaba diseñada para destilar y almacenar agua dulce para uso humano [27] y el " Astropollo ".
En 1980, inspirada por un "Taller de Nuevas Direcciones" de 1979 celebrado en Wood's Hole, la NASA llevó a cabo un estudio de verano conjunto con la ASEE titulado Automatización Avanzada para Misiones Espaciales para producir una propuesta detallada para fábricas autorreplicantes para desarrollar recursos lunares sin requerir lanzamientos adicionales o trabajadores humanos en el sitio. El estudio se llevó a cabo en la Universidad de Santa Clara y se desarrolló del 23 de junio al 29 de agosto, y el informe final se publicó en 1982. [28] El sistema propuesto habría sido capaz de aumentar exponencialmente la capacidad productiva y el diseño podría modificarse para construir auto- replicando sondas para explorar la galaxia.
El diseño de referencia incluía pequeños carros eléctricos controlados por computadora que circulaban sobre rieles dentro de la fábrica, "máquinas pavimentadoras" móviles que usaban grandes espejos parabólicos para enfocar la luz solar sobre el regolito lunar para derretirlo y sinterizarlo en una superficie dura adecuada para construir, y un frente robótico. Cargadores frontales para 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 constructores que construirían nuevas fábricas a partir de piezas y conjuntos producidos por su matriz.
La energía sería proporcionada por un "dosel" de células solares sostenidas sobre pilares. El resto de maquinaria se colocaría bajo la marquesina.
Un " robot de fundición " utilizaría herramientas y plantillas de escultura para hacer moldes de yeso . Se seleccionó el yeso porque los moldes son fáciles de hacer, pueden hacer piezas precisas con buenos acabados superficiales y el yeso se puede reciclar fácilmente después usando un horno para recuperar el agua. Luego, el robot moldearía la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o de 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 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. [29] 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 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 tal sistema. [30] [31] [32] Propusieron una colonia de robots móviles cooperativos de 10 a 30 cm de tamaño que se desplazaran sobre una rejilla de pistas cerámicas 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 superior del suelo del desierto (Na, Fe, Mg, Si, Ca, Ti, Al, C, O 2 y H 2 ) mediante un proceso carbotérmico a alta temperatura. Esta propuesta se popularizó en la revista Discover , presentando equipos de desalinización alimentados por energía solar utilizados para irrigar el desierto en el que se encontraba el sistema. [33] 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 la fase I:
En 2012, los investigadores de la NASA Metzger, Muscatello, Mueller y Mantovani abogaron por un llamado "enfoque de arranque" para iniciar fábricas autorreplicantes en el espacio. [40] 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 modelo demostró que en sólo 20 a 40 años esta industria podría volverse autosuficiente y luego crecer hasta alcanzar un tamaño grande, 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 impulso de la civilización del sistema solar a través de una industria espacial autorreplicante. [41] 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 jefe de tecnología de la NASA, Mason Peck, llamó "exploración sin masa", la capacidad de hacer todo en el espacio de manera 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. Simplemente tiene la forma incorrecta". [42] En 2016, Metzger argumentó que los astronautas pueden iniciar una industria totalmente autorreplicante durante varias décadas en un puesto de avanzada lunar por un costo total (puesto de avanzada más el inicio de la industria) de aproximadamente un tercio de los presupuestos espaciales de la Estación Espacial Internacional. países socios, y que esta industria resolvería los problemas energéticos y ambientales de la Tierra, además de permitir la exploración sin masa. [43]
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 hecha de una hebra corta de ADN. Al tratar cada grupo de tres dobles hélices como una letra clave, pueden (en principio) construir estructuras autorreplicantes que codifiquen grandes cantidades de información. [44] [45]
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. [46]
En 1968, Zellig Harris escribió que "el metalenguaje está en el lenguaje", [47] sugiriendo que la autorreplicación es parte del lenguaje. En 1977, Niklaus Wirth formalizó esta proposición publicando una gramática determinista libre de contexto y autorreplicante . [48] Añadiendo probabilidades, 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. [49]
El 29 de noviembre de 2021, un equipo del Instituto Harvard Wyss construyó los primeros robots vivos que pueden reproducirse. [50]
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 , [51] [52] pero el concepto había aparecido antes en la ciencia ficción , como en la novela Berserker de 1967 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 cuantitativa de una nave espacial autorreplicante fue publicado en 1980 por Robert Freitas , [53] 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 fue utilizar la sonda para llevar 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 total de fabricación y luego usar la tecnología automatizada resultante. complejo industrial 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 ido ampliando con el tiempo, algunas fábricas han comenzado a acercarse a una apariencia de autosuficiencia que sugiere máquinas autorreplicantes. [54] Sin embargo, es poco probable que tales fábricas logren un "cierre total" [55] 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 en otra parte. Como señala Samuel Butler en Erewhon , ya es posible replicar fábricas de máquinas herramienta universales parcialmente cerradas. Dado que la seguridad es un objetivo principal de toda consideración legislativa sobre la regulación de dicho desarrollo, los esfuerzos de desarrollo futuros pueden limitarse a sistemas que carecen de control, materia o cierre de energía. Los replicadores de máquinas totalmente capaces son más útiles para desarrollar recursos en entornos peligrosos a los que los sistemas de transporte existentes no llegan fácilmente (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. [56] Sin embargo, con una sólida corrección de errores y la posibilidad de intervención externa, el escenario común de ciencia ficción de vida robótica enloquecida seguirá siendo extremadamente improbable en el futuro previsible. [57]
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ){{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )La fuente de energía podría ser solar o posiblemente basada en radioisótopos , dado que los nuevos compuestos líquidos pueden generar energía sustancial a partir de la desintegración radiactiva.