自己複製機械

自己複製機械は、環境中にある原材料を使用して自律的に自分自身を複製する能力を持つ自律型ロボットの一種であり、自然界に見られるものと類似した方法で自己複製を示します。^{[1] [2] [3]}自己複製機械の概念は、ホーマー・ジェイコブソン、エドワード・F・ムーア、フリーマン・ダイソン、ジョン・フォン・ノイマン、コンラート・ツーゼ^{[4] [5]}によって推進され、検討されてきました。より最近では、ナノテクノロジーに関する書籍、Engines of Creation（このような機械をclanking replicatorという用語で造語）のK・エリック・ドレクスラー、およびレプリケータ設計空間全体の最初の包括的な分析を提供したレビューKinematic Self-Replicating Machines [6]によって推進され、検討されて^います。こうした技術の将来的な発展は、月や小惑星帯での鉱石やその他の材料の採掘、月面工場の建設、さらには宇宙での太陽光発電衛星の建設など、いくつかの計画の不可欠な部分です。フォン・ノイマン探査機^[7]は、そのような機械の理論的な例の 1 つです。フォン・ノイマンは、進化できる自己複製機械であるユニバーサル コンストラクターとも呼ばれるものにも取り組んでおり、これをセルオートマトン環境で形式化しました。特に、フォン・ノイマンの自己複製オートマトン スキームは、オープンエンド進化には、継承された情報が自己複製機械とは別にコピーされ、子孫に渡される必要があると仮定しました。これは、ワトソンとクリックによる DNA 分子の構造の発見と、それが細胞内で個別に翻訳され複製される方法に先立つ洞察でした。^{[8] [9]}

自己複製マシンは、従来の大規模技術と自動化に依存する人工的な自己複製システムです。この概念は、遅くとも 1940 年代にはフォン ノイマンによって最初に提案され、さまざまな種類の技術を含むさまざまなアプローチが採用されてきました。文献には、時折、特定の特異な用語が見られます。たとえば、クランキング レプリケータという用語は、かつてドレクスラー^[10]によって、マクロ規模の複製システムを、ナノテクノロジーによって可能になる可能性のあるミクロ規模のナノロボットまたは「アセンブラ」と区別するために使用されましたが、この用語は非公式であり、一般的な議論や技術的な議論で他の人が使用することはほとんどありません。レプリケータは、このアイデアを最初に厳密に研究したジョン フォン ノイマンにちなんで「フォン ノイマン マシン」とも呼ばれています。ただし、「フォン ノイマン マシン」という用語はあまり具体的ではなく、フォン ノイマンが提案したまったく無関係なコンピューター アーキテクチャも指すため、正確さが重要な場合は使用しないでください。^[6]フォン・ノイマンはこのような自己複製機械を説明するために 「万能構築子」という用語を使用しました。

工作機械の歴史家は、数値制御時代以前から、工作機械は部品をすべてコピーして「自己複製」する能力を持つため、比喩的に「ユニークな種類の機械」であると述べることがあった^。これらの議論では、人間が切削工程を指揮し（後に機械の計画とプログラミング）、部品を組み立てるということが暗黙的に示唆されている。RepRap についても同様で、RepRapは、このような非自律的な「自己複製」に関連して言及されることがある別の種類の機械である。このような議論は工作機械のコレクションについて言及しており、このようなコレクションは部品を複製する能力を持っているが、これは 1 台の機械では有限で低いが、同様に作られているが独自に機能する機械が 12 台程度しかないコレクションではほぼ 100% にまで上昇し、Frietas と Merkle が物質または材料の閉鎖と呼ぶものを確立する。エネルギーの閉鎖は次に閉鎖するのが難しい次元であり、制御が最も難しいが、この問題には他の次元は存在しないと指摘している。対照的に、真に自律的に自己複製する機械（生物学的機械など）がここで議論される主な主題であり、3 つの次元のそれぞれで閉包性を持つことになります。

自分自身のコピーを生産できる人工機械という概念は、少なくとも数百年前に遡る。初期の言及としては、哲学者ルネ・デカルトに関する逸話がある。デカルトはスウェーデンのクリスティーナ女王に人体を機械とみなせると示唆した。女王は時計を指して「子孫を生むようにしなさい」と命じた。^[12]この逸話的な応答には、他にもいくつかのバリエーションが存在する。サミュエル・バトラーは1872年の小説『エレホン』で、機械は既に自分自身を複製する能力があるが、それをさせたのは人間であると提案し、^[13] 「機械を複製する機械は、同じ種類の機械を複製しない」 と付け加えた。^[14]ジョージ・エリオットが1879年に書いた著書『テオプラストス・サッチの印象』では、架空の学者テオプラストスというキャラクターで書かれた一連のエッセイの中で、「来たるべき人種の影」というエッセイで自己複製機械について推測し、テオプラストスは「それらが最終的には自己供給、自己修復、再生の条件を備えるように作られていないか、あるいはそれ自体が進化していないかもしれないと、どうしてわかるのか」と問いかけている。^[15]

1802年、ウィリアム・ペイリーは、機械が他の機械を生み出すという目的論的議論を初めて定式化し、 ^[16]時計が自分自身のコピーを製造できることが証明されれば、誰が最初に時計を作ったかという問題は意味をなさなくなると示唆した。 ^[17]自己複製機械の科学的研究は、 1929年にはジョン・バーナルによって早くも予見されており^[18] 、 1930年代に再帰理論の開発を始めたスティーブン・クリーネなどの数学者も予見していた。 ^[19]しかし、後者の研究の多くは、そのようなシステムの物理的実装ではなく、情報処理とアルゴリズムへの関心によって動機づけられたものであった。 1950年代には、自己複製が可能なますます単純な機械システムがいくつか提案され、特にライオネル・ペンローズによって提案された。^{[20] [21]}

自己複製機械の詳細な概念提案は、数学者ジョン・フォン・ノイマンが1948年と1949年の講義で初めて提唱し、思考実験として自己複製オートマトン運動モデルを提案した。^{[22] [23]}フォン・ノイマンの物理的な自己複製機械の概念は抽象的にしか扱われておらず、仮想機械は「海」または予備部品の貯蔵庫を原材料の供給源として使用していた。機械にはメモリテープに保存されたプログラムがあり、マニピュレータを使用してこの「海」から部品を取り出し、それらを組み立てて自身のコピーを作成し、メモリテープの内容を新しい複製に転送するように指示していた。機械は、刺激を送受信するための4つの論理要素と、構造的サポートと可動性を提供する4つの機械要素の、わずか8種類のコンポーネントで構成されると想定されていた。フォン・ノイマンは、質的には健全であったものの、数学的な精度で分析することが困難であったため、この自己複製機械モデルに満足していなかったようである。彼は代わりに、セルオートマトンに基づくさらに抽象的な自己複製モデルを開発した。^{[24]彼のオリジナルの運動学の概念は、1955年の}Scientific American誌で広く知られるようになるまで、あまり知られていなかった。^[25]

フォン・ノイマンが1949年にイリノイ大学で行った講義^{[22]で述べたように、自己}複製オートマトン理論の目標は、自然淘汰を受ける生物のように、自動的に複雑性が高まる機械を設計することだった。彼は、機械が進化するために超えなければならない複雑性の閾値は何かと問うた。 ^[8]彼の答えは、実行されると自己複製する抽象機械を設計することだった。特に、彼の設計は、オープンエンド進化には、継承された情報が自己複製機械とは別にコピーされ子孫に渡される必要があることを示唆しており、これはワトソンとクリックによるDNA分子の構造の発見と、それが細胞内で個別に翻訳され複製される方法に先立つ洞察であった。^{[8] [9]}

1956年、数学者エドワード・F・ムーアは、実用的な現実世界の自己複製機械についての最初の提案をし、これもサイエンティフィック・アメリカン誌に掲載された。^{[26] [27]}ムーアの「人工生きた植物」は、空気、水、土壌を原材料として使用し、太陽電池または蒸気エンジンを介して太陽光からエネルギーを引き出すことができる機械として提案された。彼は、海水中の化学物質に簡単にアクセスできる海岸をそのような機械の最初の生息地として選び、後の世代の機械は、自己複製工場船として海面に自由に浮かぶように設計するか、そうでなければ産業目的には役に立たない不毛の砂漠地帯に配置することを提案した。自己複製体は、その構成部品のために「収穫」され、人類が他の非複製機械に使用することになっていた。

自己複製機械の概念の次の大きな発展は、物理学者フリーマン・ダイソンが1970年のバヌクセム講演で提案した一連の思考実験であった。^{[28] [29]彼は機械複製機の3つの大規模な応用を提案した。1つ目は、}土星の衛星エンケラドゥスに自己複製システムを送るというもので、これは自身の複製を生成することに加え、ソーラーセイル推進の貨物宇宙船を製造して打ち上げるようにプログラムされている。これらの宇宙船はエンケラドゥスの氷のブロックを火星に運び、そこで惑星の地球化に使用する。彼の2番目の提案は、地上の砂漠環境向けに設計された太陽光発電工場システムであり、3番目は、この複製機をベースにした「産業開発キット」で、発展途上国に販売して、必要なだけ工業能力を提供できるものであった。ダイソンは1979年に講義を改訂して再版した際、ムーアの海洋人工植物の改良版である、蒸留して人間が使用できる淡水を貯蔵するように設計されたもの^[30]と「アストロチキン」の提案を追加しました。

1980年、ウッズホールで開催された1979年の「新方向ワークショップ」に触発され、NASAはASEEと共同で「宇宙ミッションのための先進的自動化」と題する夏季研究を実施し、追加の打ち上げや現場での人間の作業員を必要とせずに月の資源を開発するための自己複製工場の詳細な提案を作成しました。この研究はサンタクララ大学で実施され、6月23日から8月29日まで続き、最終報告書は1982年に発表されました。^{[31]提案​​されたシステムは、生産能力を}飛躍的に向上させることができ、設計を変更して銀河を探索するための自己複製プローブを構築することもできます。

基準設計には、工場内のレール上を走るコンピューター制御の小型電動カート、大型放物面鏡を使用して太陽光を月のレゴリスに集中させ、それを溶かして焼結し、建築に適した硬い表面にする移動式「舗装機」、および露天採掘用のロボット式フロントエンドローダーが含まれていた。未精製の月のレゴリスは、主にフッ化水素酸 浸出法など、さまざまな技術で精製される。さまざまなマニピュレーターアームとツールを備えた大型輸送機が、親会社が製造した部品とアセンブリから新しい工場を組み立てるコンストラクターとして提案された。

電力は柱に支えられた太陽電池の「天蓋」によって供給され、その他の機械は天蓋の下に設置される。

「鋳造 ロボット」は、彫刻ツールとテンプレートを使用して石膏 型を作成します。石膏が選択された理由は、型の作成が容易で、表面仕上げが良好な精密部品を作成でき、また、石膏はオーブンで水を焼き戻すことで簡単にリサイクルできるためです。その後、ロボットは、非導電性の溶融岩 (玄武岩) または精製金属からほとんどの部品を鋳造します。二酸化炭素レーザー切断および溶接システムも含まれていました。

コンピューターと電子システムの製造には、より推測的でより複雑なマイクロチップ製造業者が指定されたが、設計者らは、チップをまるで「ビタミン」のように地球から輸送することが現実的になるかもしれないとも述べた。

NASAの先端概念研究所が支援した2004年の研究では、このアイデアがさらに発展しました。^{[32]一部の専門家は、}小惑星採掘のために自己複製機械を検討し始めています。

設計研究の大部分は、鉱石を処理するためのシンプルで柔軟な化学システムと、レプリケータに必要な元素の比率と月の表土で利用可能な比率の差に関するものでした。成長率を最も制限する元素は、表土をアルミニウムに処理するために必要な塩素でした。塩素は月の表土には非常に稀です。

1995年、クラウス・ラックナーとクリストファー・ウェントは、産業発展のために地球上の無人砂漠に自己複製機械を植えるという1970年のダイソンの提案に触発され、そのようなシステムのより詳細な概要を作成した。^{[33] [34] [35]}彼らは、固定された製造設備と太陽電池フィールドの周りの帯電セラミックトラックのグリッド上を走る、大きさ10～30cmの移動ロボットの協働コロニーを提案した。彼らの提案には、システムの材料要件の完全な分析は含まれていなかったが、高温炭素熱プロセスを使用して、未加工の砂漠の表土に含まれる10の最も一般的な化学元素（Na、Fe、Mg、Si、Ca、Ti、Al、C、O ₂、H ₂ ）を抽出する新しい方法について説明していた。この提案は、システムが拠点とする砂漠の灌漑に使用される太陽光発電の淡水化装置を特集したディスカバー誌で広まった。 ^[36]彼らは自分たちの機械を「成長する」という意味の ギリシャ語のauxeinから「Auxons」と名付けました。

1980 年の「宇宙ミッションのための高度な自動化」研究の精神に基づき、NASA 先端概念研究所は2002 年と 2003 年に自己複製システム設計に関するいくつかの研究を開始しました。フェーズ I の助成金は 4 つ授与されました。

• ホッド・リプソン（コーネル大学）「宇宙探査を加速する自律型自己拡張マシン」^[37]
• グレゴリー・チリクジャン（ジョンズ・ホプキンス大学）「無人自己複製月面工場の建築」^[38]
• ポール・トッド（スペースハードウェアオプティマイゼーションテクノロジー社）「ロボットによる月面エコポイエシス」^{[39] [40]}
• ティハマー・トス・フェイエル（ジェネラル・ダイナミクス）、「運動学的セルオートマトンモデリング：自己複製へのアプローチ」^{[41] [42]}この研究では、開発の複雑さはPentium 4と同等であると結論付けられ、セルオートマトンに基づく設計が推奨されました。

2012年、NASAの研究者メッツガー、ムスカテッロ、ミューラー、マントヴァーニは、宇宙で自己複製工場を始めるためのいわゆる「ブートストラッピングアプローチ」を主張した。^{[43]彼らはこの概念を、NASAが月や火星で「自給自足」するために開発している}現地資源利用（ISRU）技術に基づいて開発した。彼らのモデリングでは、この産業はわずか20年から40年で自給自足になり、その後大規模に成長し、宇宙でのより大規模な探査を可能にするとともに、地球に利益をもたらす可能性があることが示された。2014年、ホワイトハウス科学技術政策局のトーマス・カリルは、自己複製宇宙産業による太陽系文明のブートストラッピングに関するメッツガーとのインタビューをホワイトハウスのブログに掲載した。^[44]カリルは、一般の人々に対して、「政権、民間セクター、慈善家、研究コミュニティ、ストーリーテラーがこれらの目標をさらに推進できる方法」についてのアイデアを提出するよう求めた。カリルはこの概念を、NASAの元主任技術者メイソン・ペックが「質量なしの探査」と名付けた、地球から打ち上げる必要がないように宇宙ですべてを作る能力と関連付けた。ペックは「太陽系を探索するために必要な質量はすべてすでに宇宙にある。ただ形が違うだけだ」と述べている。^[45] 2016年、メッツガーは、数十年かけて月面基地で宇宙飛行士が完全な自己複製産業を立ち上げることができ、その総費用（基地と産業の立ち上げ）は国際宇宙ステーションのパートナー国の宇宙予算の約3分の1で、この産業は質量なしの探査を提供することに加えて、地球のエネルギー問題と環境問題を解決すると主張した。^[46]

2011年、ニューヨーク大学の科学者チームは、それぞれ短いDNA鎖から作られた3つの二重らせん分子をベースにした「BTX」（ベントトリプルヘリックス）と呼ばれる構造を作成しました。3つの二重らせんの各グループをコード文字として扱うことで、（原理的には）大量の情報をエンコードする自己複製構造を構築できます。^{[47] [48]}

2001年、オスロ大学のヤルレ・ブレイビクは、温度変動に応じて自発的に自己複製ポリマーを形成する磁性ビルディングブロックのシステムを開発しました。^[49]

1968年、ゼリッグ・ハリスは「メタ言語は言語の中にある」と書き、^[50]自己複製が言語の一部であることを示唆した。1977年、ニクラウス・ヴィルトは自己複製する決定論的文脈自由文法を発表し、この命題を定式化した。^[51]これに確率を加えて、ベルトラン・デュカステルは2015年に自己複製する確率文法を発表し、その文法をニューラルネットワークにマッピングして、自己複製する神経回路のモデルを提示した。 ^[52]

2021年11月29日、ハーバード大学ウィス研究所のチームが生殖能力を持つ初の生きたロボットを開発した。^[53]

自己複製能力を持つ自動宇宙船というアイデアは、1974年にマイケル・A・アービブによって科学文献で初めて提案されたが、^{[54] [55]}、この概念は1967年のフレッド・セイバーヘーゲンの小説『バーサーカー』や1950年のAEヴァン・ヴォークトの中編三部作『ビーグル号の航海』など、 SFの世界では以前から登場していた。自己複製宇宙船に関する最初の定量的な工学分析は1980年にロバート・フレイタスによって発表されたが、^[56]その中で、複製しないダイダロス計画の設計は、自己複製に必要なすべてのサブシステムを含むように修正された。設計の戦略は、探査機を使って質量約443トンの「種子」工場を遠隔地に運び、そこで種子工場に自身の多数の複製を複製させて総製造能力を高め、その結果得られる自動化された産業複合体を使って、それぞれに1つの種子工場を搭載した探査機をさらに建造することだった。

産業オートメーションの利用が時間とともに拡大するにつれ、一部の工場は自己複製機械を思わせる自給自足に近い状態に近づき始めている。^[57]しかし、自動化された機械のコストと柔軟性が人間の労働力に近づき、スペアパーツやその他のコンポーネントを地元で製造することが他の場所から輸送するよりも経済的になるまで、そのような工場は「完全な閉鎖」 ^{[58]を達成する可能性は低い。}サミュエル・バトラーがエレホンで指摘したように、部分的に閉鎖された汎用工作機械工場の複製はすでに可能である。安全性はそのような開発の規制に関するすべての立法上の検討の主要目標であるため、将来の開発努力は制御、物質、またはエネルギーの閉鎖のいずれかが欠如しているシステムに限定される可能性がある。完全な機能を備えた機械複製機は、既存の輸送システムでは簡単には到達できない危険な環境（宇宙など）でのリソースの開発に最も役立つ。

人工複製機は人工生命の一種であると考えられる。その設計によっては、長期間にわたって進化する可能性がある。 ^[59]しかし、堅牢なエラー修正と外部介入の可能性を考慮すると、ロボット生命が暴走するという一般的なSFのシナリオは、予見可能な将来において極めて起こりにくいままである。 ^[60]

フィクション作品で自己複製機械を使用した作家としては、フィリップ・K・ディック^[2] 、アーサー・C・クラーク^[2] 、カレル・チャペック（『ロッサムの万能ロボット』（1920年））、^{[2] [1]、} ジョン・スラデック（『生殖システム』）、^[2]、 サミュエル・バトラー（『エレホン』）、^[2]、デニス・E・テイラー^[61]、 EM・フォースター（『機械停止^{』（1909年）） [1]}などがいます。

• 自己複製機械のコンセプトについては、多数の特許が付与されている。^[62] 米国特許 5,659,477「自己複製基本製造機械 (F ユニット)」発明者: コリンズ、チャールズ M. (バージニア州バーク) (1997 年 8 月)、米国特許 5,764,518「自己複製基本製造機械システム」発明者: コリンズ、チャールズ M. (バージニア州バーク) (1998 年 6 月)、およびコリンズの PCT 特許 WO 96/20453: ^[63]「自己複製製造ステーションの方法およびシステム」発明者: マークル、ラルフ C. (カリフォルニア州サニーベール)、パーカー、エリック G. (テキサス州ワイリー)、スキッドモア、ジョージ D. (テキサス州プレイノ) (2003 年 1 月)。
• マクロ的な複製子については、K・エリック・ドレクスラーの1986年の著書『創造のエンジン』の第4章で簡単に触れられている。^[10]
• 1995年、ニック・サボはレゴのロボットキットと類似の基本部品からマクロスケールのレプリケータを構築するというチャレンジを提案した。 ^[64]サボは、このアプローチはマクロスケールのレプリケータの以前の提案よりも簡単であると書いたが、この方法でさえ10年以内にマクロスケールのレプリケータにはつながらないと正しく予測した。
• 2004年、ロバート・フレイタスとラルフ・マークルは、自己複製の分野における初の包括的なレビューを、著者の許可を得て本論文の多くの内容の出典である『運動学的自己複製機械』として出版した。この本には3000以上の文献が引用されている。^[6]この本には、新しい分子アセンブラ設計、^[65]複製の数学の入門書、^[66]複製機の設計空間全体の初の包括的な分析が含まれていた。^[67]

• コルヴィン、フレッド H. (1947)、人間と機械との 60 年、ニューヨークおよびロンドン: マグロウヒル、LCCN  47003762. Lindsay Publications ( ISBN 978-0-917914-86-7 )から再版として入手可能。序文はRalph Flandersによる。 
• M. Sipper、「自己複製に関する 50 年間の研究: 概要」、人工生命、第 4 巻、第 3 号、pp. 237-257、1998 年夏。
• フリーマン・ダイソンは、ノイマンのオートマトン理論を拡張し、バイオテクノロジーにヒントを得た理論を発展させました。Astrochicken を参照してください。
• 自己複製型星間探査機の最初の技術設計研究は、1980 年にロバート・フレイタスの論文で発表されました。
• カチャカチャと音を立てる複製子は、 K. エリック・ドレクスラーの 1986 年の著書『創造のエンジン』の第 4 章でも簡単に触れられています。
• 1995 年 10 月のDiscover Magazineに掲載された、地球上の砂漠を開発するために使用される予定のカチャカチャ音を立てるレプリケータ システムに関する記事。土地を灌漑するための淡水化装置に電力を供給する太陽光パネルの林立が紹介されています。
• 1995 年、ニック・サボは、レゴ(tm) ロボット キットと類似の基本部品からマクロスケールのレプリケータを構築するという課題を提案しました。サボは、このアプローチはマクロスケールのレプリケータに関する以前の提案よりも簡単であると書きましたが、この方法でも 10 年以内にマクロスケールのレプリケータは実現できないだろうと予測しました。
• 1998 年、Chris Phoenix はsci.nanotechニュースグループで、紫外線硬化液体プラスチックのプールで動作し、プラスチックを選択的に凝固させて固体部品を形成するマクロスケールのレプリケーターの一般的なアイデアを提案しました。計算は流体ロジックによって実行できます。プロセスの電源は、加圧された液体源から供給できます。
• 2001年、ピーター・ワードは著書『Future Evolution』の中で、逃げ出したカチャカチャ音を立てる複製子が人類を滅ぼすだろうと言及した。
• 2004 年、ジェネラル ダイナミクスは NASA の先端概念研究所の研究を完了しました。この研究では、開発の複雑さは Pentium 4 と同等であると結論付けられ、セル オートマトンに基づく設計が推進されました。
• 2004 年、ロバート・フレイタスとラルフ・マークルは、3,000 件を超える文献参照を含む著書『Kinematic Self-Replicating Machines』で、自己複製分野に関する初の包括的なレビューを発表しました。
• 2005年、バース大学のエイドリアン・ボウヤーは、自己複製が可能で、人々が自宅で購入して使用できるほど安価なラピッドプロトタイピングマシンを開発するために、RepRapプロジェクトを開始しました。このプロジェクトは、 GNU GPLの下で素材を公開しています。[1]
• 2015年、グラフェンとシリセンの進歩により、メモリスタを含むシリコンカーバイドベースのナノスケールCPUと統合すれば、人間の脳に匹敵する密度を持つニューラルネットワークの基盤を形成できる可能性があることが示唆されました。

新しい液体ベースの化合物は放射性崩壊からかなりの電力を生成できるため、 電源は太陽光または放射性同位元素ベースになる可能性があります。