Ciencia Kanija

“La autorreproducción es uno de los rasgos más notables de los sistemas biológicos que ha permanecido durante largo tiempo fuera del ámbito de las posibilidades de los sistemas de ingeniería tradicionales”, explica Victor Zykov y sus colegas de la Universidad de Cornell es un estudio reciente en IEEE Transactions on Robotics.

Secuencias de autorreproducción robótica diseñadas a mano por los ingenieros. Los nuevos molecubos se depositan desde arriba, y cada cubo tiene la capacidad de girar. Crédito de la imagen: Zykov, et al. ©IEEE 2007.

Zykov, Efstathios Mytilinaios, Mark Desnoyer, y Hod Lipson han examinado el significado de tales conceptos como “autorreproducción” y “evolución” cuando se aplican a máquinas sin vida.

Los ingenieros diseñaron y construyeron un conjunto de robots modulares que podían combinarse en máquinas de varios tamaños que como resultado serían capaces de construir copias idénticas de sí mismos. El grupo experimentó con máquinas tanto físicas como virtuales que fueron diseñadas manualmente para autorreproducirse, así como con máquinas autorreproductoras que evolucionaron artificialmente. En el futuro, las máquinas autorreproductoras podrían ser esenciales para aplicaciones que prohíben el mantenimiento humano.

“Finalmente, la evolución artificial se usará para diseñar los cuerpos de máquinas 3-D autorreproductoras, así como los procedimientos para su construcción por robots modulares disponibles pre-ensamblados”, explicó Zykov a PhysOrg.com. “Luego, estos programas de autorreplicación serán cargados en los robots disponibles que construirán físicamente los nuevos robots — o autorreproductores”.

Zykov dijo que diseñar las secuencias para la evolución autorreplicante de los robots 3D es actualmente muy difícil, debido a esto el equipo diseñó programas de evolución autorreplicativa para robots modulares en 2D. También, para preparar la automatización del diseño y control de la autorreplicación en 3D, los científicos realizaron experiemntos manuales en 3D para demostrar la factibilidad práctica de evolucionar la autorreplicación 3D.

La configuración del proceso manual recuerda a un juego de Tetris en 3D, donde un dispensador deja caer módulos cúbicos, llamados “Molecubos”, a una máquina que consta de una línea de cubos conectados que puede tomar, mantener y dejar otros cubos, así como girar un cubo para colocarlo en una posición distinta. Finalmente, la máquina original puede programarse para construir copias de sí misma, la cual puede copiarse a sí misma sucesivamente, idealmente, a lo largo de varias generaciones.

Cada Molecubo es idéntico: un módulo de 10 cm³ y 625 gramos que puede girar a lo largo de su eje diagonal. En dos de los lados del cubo hay unos conectores que pueden unirse a los conectores de otros cubos. Un servomotor dentro de cada cubo dirige el mecanismo de giro.

El objetivo de la segunda parte del proyecto era encontrar si es posible o no evolucionar simples máquinas autorreproductoras modulares 2D con Molecubos 2D. Primero, el algoritmo genético busca una forma específica para la máquina 2D. La forma deseada permitiría al robot obtener los módulos disponibles a su alrededor, girarlos hacia una situación objetivo, y, secuencialmente dejar caer los módulos uno a uno en los lugares adecuados, formando una réplica exacta de sí mismo.

Concepción artística de un sistema robótico modular autosostenible para una aplicación espacial. Crédito de la imagen: Zykov, et al. ©IEEE 2007.

Durante la segunda etapa del proceso, la evolución busca una secuencia de acciones que permitirían al robot resultante lograr la autorreproducción. Finalmente, evolucionarían 3 robots distintos en 2D que serían capaces de crear réplicas completas de ellos mismos.

Aunque este no es el primer sistema físico robótico autorreproductoric, hay relativamente pocos sistemas autorreproductores, y generalmente usan mecanismos más complejos que los Molecubos. La simpleza demostrada por los ladrillos sugiere que, para estos sistemas complejos, puede ser más fácil autorreproducirse con muchas unidades idénticas y simples.

Los ingenieros apuntan que los organismos biológicos están compuestos por un repertorio de sólo 20 tipos de aminoácidos; sin embargo, los organismos completos pueden contener hasta 10²⁰ moléculas individuales de tales aminoácidos. Esta comparación sugiere que la autorreproducción en los organismos biológicos pueden también tender a emplear módulos simples y similares.

Zykov dijo que los robots autorreproductores podrían tener aplicaciones en futuras misiones de exploración espacial a largo plazo.

“Imagina una misión espacial larga donde no podemos predecir alguno de los problemas específicos con los que se encontrará”, dijo. “En este caso, tampoco podemos prever qué tipos de robots serán necesarios para resolver esos problemas no anticipados. Sin embargo, podemos llenar cualquier espacio disponible a bordo de la nave con Molecubos, y también incluir un o dos robots ensamblados con ellos.

“Ahora, si la misión se encuentra con un problema imprevisto, el algoritmo evolutivo a bordo de la nave puede usarse para evolucionar una forma corporal para un robot que estará disponible para resolver el problema”, continuó. “Una vez que se conozca la forma deseada del robot, el robot funcional a bordo de la nave lo ensamblará a partir de los Molecubos sobrantes. Esperamos que, en el futuro, tales sistemas robóticos adaptables universales ayuden a evitar tragedias similares a las que acabó con las vidas de siete astronautas durante la última misión de la Lanzadera Espacial Columbia”.

Otra pregunta que lanzaron los científicos en su investigación es el concepto fundamental de “qué es necesario para la autorreplicación”. Han desarrollado una métrica que captura dimensiones como calidad, razón, material externo requerido, probabilidad de surgimiento de una entidad replicante en distintos entornos, y unieron todos estos aspectos en un continuo cuantificad basado en la cantidad de información involucrada en la replicación.

“En juzgar si ha tenido lugar o no la autorreplicación, pueden usarse múltiples criterios: el grado de similitud entre el original y la réplica, la cantidad de ayuda del entorno usada por el original en el proceso de autorreplicado, la complejidad de la entidad replicante en relación a sus partes constituyentes, etc.”, explicó Zykov.

“Si consideramos la autorreplicación como parte de una propiedad binaria, que es verdad o falsa para cada caso específico considerado, entonces debe hacerse un juicio sobre si la autorreplicación ha sucedido o no usando los criterios de arriba”, dijo. “Sin embargo, para cada uno de estos criterios, no está claro el límite que separaría la autorreplicación de lo que no lo es, por lo que hacer una decisión del tipo si/no es difícil”.

Cuando vemos la autorreplicación como una propiedad continua, sin embargo, el valor de al autorreplicación sería distinto para cada caso específico.

“Este valor será más pequeño para aquellos casos en los que la autorreplicación dé como resultado réplicas imperfectas, requiera unas condiciones del entorno muy especiales o una ayuda significativa externa, o involucre un agente autorreplicante muy simple. Por ejemplo, un animal tendría un valor mucho más alto de autorreplicabilidad que unsimple robot de dos piezas, ya que consta de muchos más componentes básicos, puede reproducirse con éxito en una gran variedad de condiciones del entorno y no usa fuentes de energía externas”.

Con algo de suerte, esta métrica proporcionará un punto de comparación común para permitir mejoras en los sistemas autorreplicantes en el futuro.

Esta entrada fue escrita el Miércoles, 6 de junio de 2007 a las 3:00 pm y archivada en Biologí­a, Tecnologí­a. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.