Digitální evoluce: Život simulovaný v počítači

Michal Černý  |  Věda

Vědci se snaží pomocí superpočítačů simulovat extrémně složité jevy. Troufají si dokonce i na modelování umělých tvorů a jejich evoluce.

Výpočetní výkon nejrychlejších superpočítačů roste stále rychlejším tempem. S pomocí těchto strojů je tak možné uskutečnit věci, o kterých jsme dříve nesnili ani v těch nejodvážnějších fantaziích. Vědci se dnes pokoušejí s pomocí superpočítačů nasimulovat takzvanou komplexitu reálného světa – tedy veškerou složitost reality, složenou z nepředstavitelného množství malých částic, atomů a molekul. V počítačích se tak modeluje víření sněhových vloček, pohyby mravenců v mraveništi, anebo třeba proudění vody kolem lodního šroubu.

Zajímavým projektem z nedávné doby je pokus o simulaci mozku včely. Středem zájmu biologů se stala mozková buňka s podivným názvem VUMmx 1, která vytváří spoje vedoucí celým včelím mozkem. Podle vědců se včela díky spojením z této buňky učí spojitosti mezi podnětem a odměnou. Výsledkem je vzpomínka spojující vůni květu s odměnou ve formě nektaru.

Vědec Terry Sejnowski ze Salkova ústavu se pustil do simulování mozku včely, který má sice jen kolem jednoho milionu neuronů (ve srovnání se 100 miliardami lidského mozku), i tak ale dosahuje značného výpočetního výkonu: dokáže zvládnout až 10 teraflops. (FLOPS = výpočetní operace s plovoucí desetinnou čárkou za vteřinu. Mimochodem, nedávný výzkum společnosti IBM ukázal, že k tomu, aby se nějaký superpočítač vyrovnal lidskému mozku, musel by dosahovat výkonu kolem 38 petaflops a mít paměťovou kapacitu 3 581 terabajtů. V současnosti je nejrychlejším superpočítačem stroj Titan společnosti Cray, který dosahuje výkonu 17,5 petaflops.)

Umělá neuronová síť, kterou v počítači nasimuloval Sejnowski, byla cvičená na základě odpovědí přicházejících ze „smyslů“, které zjišťovaly barvu a chuť nektaru. Podle těchto údajů se umělý neuron rozhodoval, zda se vyplatí nějaký květ zkoumat, anebo přeletět na jiný. Zdá se, že simulace byla skutečně podařená a realistická: umělá včela vytvořená v počítači se totiž rozhodovala podobně jako ta živá, a ke zkoumání volila tytéž květy.

Vědcům se podařilo uměle nasimulovat stejný rozhodovací proces, kterým disponují živé včely
Vědcům se podařilo uměle nasimulovat stejný rozhodovací proces, kterým disponují živé včely

Simulace LSD vizí

Nová věda o komplexitě se zabývá zkoumáním reality složené z velkého počtu částic, ať už to jsou sněhové vločky, atomy, molekuly, nebo neurony či geny. Vědci se snaží v chaosu vířících částic vysledovat řád, a pokoušejí se v počítačích nasimulovat takové jevy, jako je víření padajícího listí, psychedelické vize po užití LSD, nebo dokonce složitou biologickou evoluci trvající miliony let.

Tento přístup je možné ukázat na příkladu simulace proudění tekutin. Předcházející modely proudění byly založeny na Navierovy-Stokesovy rovnici, která celou věc modeluje pomocí přístupu „shora-dolů“ – tedy od simulace velké masy tekutiny směrem k detailnímu víření molekul. Když byla na přelomu 19. a 20. století dokázána existence atomů a molekul, začalo být teoreticky možné modelovat proudění tekutin přístupem „zdola nahoru“, tedy pomocí molekulární dynamiky. Pro popis pohybu molekul, které na sebe v tekutině narážejí a odrážejí se do sebe, se používají Newtonovy pohybové rovnice.

S příchodem nanotechnologií, tedy oboru zkoumajícího manipulace s hmotou ve velmi malém měřítku nanometrů, se mluví o tom, že přístup „zdola nahoru“ by bylo možné použít v mnoha dalších oborech. Například v architektuře by se budovy nestavěly primárně skládáním velkých celků, ale „odspodu“, kdy by se vytvářely po jednotlivých atomech či molekulách.

Vychytralé chování umělých tvorů

Již dříve se výzkumníci pokoušeli nasimulovat evoluční vývoj pomocí takzvaných celulárních automatů. Navrhl je matematik Stanislav Ulam, který se nechal inspirovat růstem krystalů, probíhajícím jako skládání jednotlivých bloků či kostiček do mozaiky.

Celulární automat vypadá jako mřížka obsahující body, které se podle vloženého programu vyvíjejí a mění se v čase. Jeden z celulárních automatů byl veřejnosti představen v roce 1953 během přednášky na univerzitě v americkém Princetonu. Posluchači spatřili nepříliš elegantní strukturu složenou ze základního obdélníka tvořeného 80 krát 400 čtverci, stavebního kamene a ocasu obsahujícího dalších 150 000 čtverců. Sebereprodukující objekt se dohromady skládal z přibližně 200 000 buněk, z nichž každá mohla být v jednom z 29 stavů. K reprodukci využíval stroj souhry svalů a mozku: neurony zajišťovaly logické řízení, přenosové buňky přenášely zprávy z řídících center a svaly měnily okolí buňky.

Celulární automaty mají praktické využití třeba právě pro simulaci proudění kapalin při využití přístupu „zdola – nahoru“. Byly předzvěstí umělých organismů, které by se vyvíjely v čase, a dokonce by se dokázaly i množit. V devadesátých letech s takovými tvory experimentoval Karl Sims. V počítači vytvořil umělé organismy složené z několika geometrických útvarů, jako jsou koule, krychle nebo kvádry. Namísto toho, aby jim zadával úkoly, jako je třeba chůze, nechal je mezi sebou soutěžit.

V jedné sérii virtuálních experimentů byli dva tvorové vyprovokováni k boji o ovládnutí zelené krychle mezi nimi. Jeden z tvorů se pokoušel odtáhnout krychli z dosahu svého protivníka. Sims zjistil, že vyzáblá stvoření s malými kvádrovitými končetinami nemusí být nutně méněcenná ve srovnání s většími tvory s delším dosahem. Jak si vyvíjeli strategie a protistrategie, vykazovali někteří tvorové mazané chování, jako je odsunutí krychle na jednu stranu a útok na protivníka. Práce Karla Simse je tak jedním z pokusů, jak v počítači nasimulovat umělou inteligenci, i když samozřejmě zatím na velmi primitivní úrovni.

Kybernetický superorganismus

Simulování komplexity má mnoho dalších praktických aplikací, počínaje modelováním tuhnutí cementu, až po vytváření speciálních filmových efektů, jako je mlha, různé kouře, nebo třeba ztvárnění chaotického víření leteckých střel. S digitální evolucí si pohrávají i současní umělci, například česko-argentinský výtvarník Federico Diaz, který již dříve v minulosti představil své projekty Mnemeg nebo Sembion.

V projektu Mnemeg se účastník ocitne v senzorickém poli uzavřeného kontejneru. V průběhu jeho pohybu v tomto prostoru jsou o něm prostřednictvím různých typů senzorů, termokamer či snímačů naskenovány různorodé informace. Projekt Mnemeg potom pokračuje na internetu, kdy účastník dostane od systému přidělený prostor, a může zde na základě naskenovaných informací vytvářet vlastní umělý organismus. „Naším cílem je vytvořit něco ve způsobu mraveniště či včelího úlu, kdy mezi sebou tyto zárodečné organismy komunikují, vyměňují si informace, a podle toho se rozvíjejí,“ vysvětluje Federico Diaz. Skutečnost, jestli do kontejneru přijdete třeba v zeleném nebo červeném oblečení, následně má vliv na vývoj umělého organismu. Třeba na to, s jakou rychlostí se rozvíjí, nebo s jakou agresivitou pohltí jiné organismy vyvíjející se v digitálním prostředí matrixu.

V projektu Sembion pak šlo o vývoj evolučního tvaru na základě analýzy textů, či přímo mluvené řeči. Software napojený na instalaci dokáže rozpoznat slovní druhy, například to, co je v textu zájmeno, číslovka nebo sloveso, a podle toho začne v počítači vznikat evoluční tvar. Ten je následně možné zhmotnit pomocí technologie 3D tisku, takže si pak účastník tohoto uměleckého projektu může domů odnést objekt představující „zhmotnělé myšlenky“, či „materializovaná slova“. Jak projekt Sembion, tak i Mnemeg využívají poznatků simulování komplexity, a je důležité je chápat především jako umění, které má za cíl inspirovat, a ukazovat lidem něco nového a dosud nepoznaného.

Evoluční postupy se dnes používají i v architektuře, s jejich pomocí projektuje například japonský architekt Makoto Sei Watanabe. V nedávné době vyprojektoval technikou tzv. indukčního designu železniční stanici na dráze mezi městy Tsukuba a Tokio. Proces navrhování dnes už neprobíhá tak, že by architekt do počítače kreslil statické návrhy, spíš zadá počáteční podmínky a potom sleduje, jak v počítači začne vznikat evoluční tvar. Tento proces řídí a vybírá mezi nabízenými variantami. Fasáda stanice byla vytvořená z nasimulovaného proudění kapaliny a vzdušných vírů, takže vypadá jako vlnky na zčeřené hladině jezera. S rostoucím výkonem počítačů bude zajímavé sledovat, jakou složitost reálného světa budou vědci nadále schopni simulovat.

Zdroje:

Nejčtenější