עיצוב ופיתוח של מערכות לא ביולוגיות בעלות יכולת שכפול עצמי הניתנות לתכנות נראה בהתחלה מרתיע. על מערכות כאלו להיות מותאמות לייצור של מערכות מחשב המסוגלות לביצועים מורכבים ברמת דיוק גבוהה. אף על פי כן נעשתה כבר עבודה תאורטית רבה בתחום זה. עבודה זו החלה עם של פון נוימן שפעל בעולם דו-ממדי והמשיכה עם שהוצע על ידי דרקסלר, והותאם לעבודה בסקלה אטומית ובמערכות תאורטיות נוספות. הרבה מהמערכות המוצעות אינן מורכבות מדי לביצוע בכלים ההנדסיים שיש לנו היום. עבודות מאוחרות יותר מציעות דרכים לפשט את המערכות הנ"ל אפילו יותר, כך שייצור מערכות לא ביולוגיות הניתנות לתכנות הוא בהחלט אפשרי כיום.
מערכות אלו יהיו יעילות יותר ממערכות ביולוגיות. הן יהיו פשוטות יותר, ייצרו חומרים באיכות טובה יותר. כמו כן ניתן יהיה לתכנת ולהתאים אותן בקלות יחסית לדרישות המשתנות, והשימוש בהם יהיה נטול סיכונים.
תעשייה ומחקר בחלל.
בקיץ 1980, נאס"א והאגודה האמריקנית להנדסת חינוך (ASEE) סבסדו מחקר שנערך על ידי 15 מהנדסי תוכנית נאס"א ו-18 מחנכים מאוניברסיטאות בארצות הברית שנועד לחקור אפשרויות לאוטומציה מתקדמת למשימות בחלל. בדו"ח הסופי ישנו פרק בן 150 עמודים המציג תוכנית רב שנתית לפיתוח מערכות לייצור על הירח. המערכת המוצעות כוללת מערכת לשכפול עצמי (SRS: Self- Replicating System) שתמוקם על פני-השטח של הירח. התכנון מבוסס כולו על טכנולוגיה קונבנציונלית. הגרעין הראשוני הדרוש ליצירת המערכת הנ"ל כולל 100 טון של חומרים (שווה ערך לארבע חלליות מסוג "אפולו") שישוגרו לירח מכדור הארץ. את כל שאר החומרים ישיג המשכפל מחומרים הנמצאים על פני הירח שיעובדו לקבלת החומרים הנדרשים לפעולת ה-SRS. היתרון המשמעותי במערכת הזאת הוא הפחה ואפילו מניעת הצורך לשגר עוד ועוד חומרי גלם מכדור הארץ, תהליך יקר מאוד.
במדעי המחשב.
במדעי המחשב, קוויין (Quine) היא תוכנת מחשב לא ריקה שרצה ללא קלט, ומדפיסה כפלט את קוד המקור שלה עצמה. במובן זה, קוויין מבצע מעין שכפול עצמי, ולפיכך תוכנות אלה מכונות בספרות של מדעי המחשב גם "תוכנות המשכפלות את עצמן" (self-replicating programs). כאשר מביטים על סביבת הריצה של התוכנה כפונקציה, קוויין מתאימה לנקודת שבת באותה פונקציה. מבחינה תאורטית קיומן של תוכנות כאלה נובע ממשפט הרקורסיה של קליני, ותוכנות כאלה קיימות בכל שפת מחשב טיורינג-שלמה. אתגר נפוץ בתחום התכנות הוא כתיבת הקוויין הקצר ביותר בשפת תכנות כלשהי.
המונח "קוויין" נטבע על ידי דאגלס הופשטטר, בספרו גדל, אשר, באך, והוא בחר בו על שם הפילוסוף וילארד ואן אורמאן קוויין (1908-2000), שתרם רבות לחקר התייחסות עצמית עקיפה, ובפרט בהתייחס למשפט הפרדוקסלי הבא, שמכונה "הפרדוקס של קוויין":
"Yields falsehood when preceded by its quotation" yields falsehood when preceded by its quotation.
הדוגמה המתועדת הראשונה לקוויין נכתבה בשנת 1960 על ידי Hamish Dewar, חוקר באוניברסיטת אדינבורו. להלן דוגמאות לקוויין:
פייתון (גרסה 3):
s = 's = %r\nprint(s%%s)'
print(s%s)
ג'אווה:
public class Quine
public static void main(String[] args)
char q = 34; // Quotation mark character
String[] l = { // Array of source code
"public class Quine",
" public static void main(String[] args)",
" char q = 34; // Quotation mark character",
" String[] l = { // Array of source code",
" };",
" for(int i = 0; i &lt; 6; i++) // Print opening code",
" System.out.println(l[i]);",
" for(int i = 0; i &lt; l.length; i++) // Print string array",
" System.out.println(l[6] + q + l[i] + q + ',');",
" for(int i = 7; i &lt; l.length; i++) // Print this code",
" System.out.println(l[i]);",
for(int i = 0; i &lt; 6; i++) // Print opening code
System.out.println(l[i]);
for(int i = 0; i &lt; l.length; i++) // Print string array
System.out.println(l[6] + q + l[i] + q + ',');
for(int i = 7; i &lt; l.length; i++) // Print this code
System.out.println(l[i]);
ננו-שכפול עצמי.
בננוטכנולוגיה, שכפול עצמי הוא תהליך שבו התקנים בקנה מידה ננומטרי, יוצרים עותקים של עצמם.
ננו מכונות רובוטיות בעלות כושר שכפול עצמי.
על מנת ששכפול עצמי יוכל להתקיים בצורה בונה, שלושה תנאים חייבים להתקיים:
הדרישה הראשונה היא שכל אחת מהיחידות תהיה מכונה מיוחדת הנקראת ננורובוט, שאחד מתפקידיו הוא לבנות לפחות העתק אחד של עצמו במהלך חייו המבצעיים. (כל יחידה צריכה גם תפקיד אחר, אלא אם כן המטרה המיועדת של צבר היחידות היא לגרום הרס על ידי יצירתו של מנגנון מכני המחקה גידול סרטני). דוגמה היפותטית של ננורובוט קונסטרוקטיבי בעל יכולת שכפול עצמי היא נוגדן מלאכותי, אשר בנוסף לכך שהוא משכפל את עצמו, הוא מאתר והורס אורגניזמים גורמי מחלות.
הדרישה השנייה היא קיומם של כל האנרגיה והמרכיבים הדרושים לבניית מספר מינימלי מסוים של עותקים מושלמים של הננורובוט. באופן אידיאלי, כמות המרכיבים צריכה לאפשר את צריכתם בפרופורציה הנכונה. אם התהליך נועד להיות סופי, כאשר נבנה המספר הרצוי של רובוטים, לא צריכים להישאר מרכיבים מיותרים שלא נעשה בהם שימוש.
הדרישה השלישית היא שעל הסביבה להיות מבוקרת על כך שתהליך השכפול יכול להמשיך בצורה יעילה וללא תקלות. זעזועים מיותרים, טמפרטורות קיצוניות, קרינה חזקה, או נסיבות שליליות אחרות עלולות למנוע את התפקוד התקין של הננורובוטים ולגרום לפגיעה בתהליך או לכישלונו. סופרי מדע בדיוני הציעו כי מוטציות העלולות להתרחש בקהילת ננורובוטים מתוחכמים המשכפלים את עצמם, עשויה להוביל למנגנון המחקה את תהליך הברירה הטבעית. תהליך כזה יכול לשמש ליצירת מושבה מתפתחת של ננורובוטים בעלי קיום עצמי בחלל החיצון.
שכפול עצמי של דפוסים נושאי מידע בקנה מידה ננומטרי.
במחקר שנערך על ידי חוקרים מהמחלקות לכימיה ולפיזיקה באוניברסיטת ניו-יורק והתפרסם בשנת 2011 בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature, הצליחו החוקרים לסנתז מבנים מלאכותיים המסוגלים לבצע שכפול עצמי, הישג הטומן בחובו את הפוטנציאל לפיתוחם של חומרים חדשים וחדשניים.
שכפול עצמי הוא תהליך בסיסי ונפוץ בעולם הטבע, אולם תהליך שכפול עצמי מלאכותי, פרי פיתוחה של טכנולוגיה אנושית, טרם הושג בצורה משביעת רצון עד כה.
את אבני הבניין של ה-DNA, ניתן לראות כאותיות היוצרות יחד מילה – צופן בעל משמעות. בתהליך השכפול, מותאם לכל אחד מהבסיסים החנקניים המרכיבים את ה-DNA בסיס חנקני משלים – אדנין (A) הנקשר לתימין (T) וגואנין (G) הנקשר לציטוזין (C). – זיווגים אלה של בסיסים חנקניים משלימים יוצרים את מבנה הסליל הכפול של ה-DNA. תהליך השכפול משמר את רצף האותיות המקורי ואת צורתה של התבנית המשוכפלת.
בהתבסס על קונספט זה, פיתחו החוקרים אבני-בניין מלאכותיות המכונות: BTX Bent Triple Helix. צופן ה-BTX אינו מוגבל רק לארבע ה"אותיות" של ה-DNA. ביכולתו של צופן זה לכלול מספר עצום של אותיות, היוצרות אבני-בניין הנקשרות אחת לשנייה בזכות יכולת ההתאמה וההשלמה של ארבעה סלילי DNA נפרדים, המכונים "קצוות דביקים", ליצירת מבנה המורכב משישה סלילים.
להשגת השכפול העצמי של מערכי מולקולת ה-BTX יש צורך במערך ראשוני המכונה "גרעין". גרעין ראשוני זה מזרז את הבנייה של מערכים זהים נוספים. במחקר המתואר, הגרעין הראשוני (המכונה "גרעין ההורה") מורכב מרצף של שבע אבני-בניין –שבע אותיות. לשם התחלת תהליך השכפול העצמי מוכנס הגרעין לתמיסה של כימיקלים. בתמיסה זו נוצר "מערך בת" על ידי זיווג בסיסים משלימים בין הגדילים. מערך בת זה מהווה בעצם את המילה או הרצף המשלימים למערך הגרעין.
בשלב הבא מופרד מערך הבת ממערך הגרעין (מערך ההורה) באמצעות חימום התמיסה לכארבעים מעלות צלזיוס. בחזרה נוספת על התהליך הנ"ל נקשר מערך הבת לאבני-הבניין המשלימות שלו ליצירת "מערך נכד", הזהה למערך הגרעין המקורי. כאשר התהליך חוזר על עצמו שוב ושוב מתקבל מספר הולך ועולה של מערכים הזהים למערך המקורי, וכך מתקבל תהליך שכפול עצמי של החומר ושל המידע המצוי במערך הגרעין - "מערך ההורה". תהליך זה שונה משמעותית מתהליך השכפול המתרחש בתא, מאחר שלא נעשה כלל שימוש במרכיבים ביולוגיים (בייחוד אנזימים), ואפילו ה-DNA הוא מלאכותי.
מחקר פורץ דרך זה מוכיח כי תהליך השכפול העצמי אינו מוגבל למולקולות ביולוגיות (כגון DNA ו-RNA) בלבד, ומהווה את השלב הראשון בהשגת היעד הנכסף של שכפול עצמי מלאכותי של חומרים בעלי הרכבים מגוונים.
סיכונים אפשריים במערכות בעלות יכולת שכפול עצמי.
מערכות בעלות יכולת שכפול עצמי, כמו מערכות אחרות, עלולות שלא לפעול בצורה נכונה וכתוצאה מכך לגרום נזק בניגוד למערכות רגילות, מערכות אלו יכולות באופן תאורטי לגרום לכמויות נזק בלתי מוגבלת. במקרים קיצוניים, ייתכן למשל שכפול בלתי מבוקר שיביא להרס כדור הארץ
כל מערכת ייצור שכזאת חייבת להיות בטוחה מטבעה; כלומר, לא די בכך שהמערכת לא תגרום לסיכונים חמורים במיוחד, אלא על מכונה כזו להישמר גם מטעויות מקריות בתכנון ובעיצוב, טעויות בטיפול או בהעברת ההוראות ועוד. מערכת כזו חייבת להיות בטוחה וחסינה מטעויות.