自我複製

自我複製（Self-replication）是動力系統的一種行為，這種行為可以產生出和自身相同的結構。在適當的環境下，細胞會通過細胞分裂進行自我複製。在細胞分裂的過程中，DNA完成了自我複製，並且可以通過繁殖傳遞給後代。生物病毒也可以自我複製，但是必須在感染過程中使用寄主細胞內的複製機制。有害的朊病毒是一種蛋白質，它可以通過將正常的蛋白質變為有害的朊病毒而自我複製。電腦病毒可以使用電腦的軟體和硬體自我複製。自我複製是機器人學中的研究課題，也是科學幻想中的熱門主題。自我複製機制常常不會完美地複製個體，而是通過遺傳變異來產生各種差異。這些變異會成為自然選擇的基礎，其中一些有利於在現有環境下生存的變異會保留下來，而其他的會被淘汰。

## 概覽

### 理論

約翰·馮·諾伊曼的早期研究認為一個自我複製者應該包含以下部分：

- 該個體的代碼化表示。
- 一個複製這段代碼的機制。
- 一種能夠影響和塑造該個體所處環境的機制。

也有例外的情況。例如，科學家已經成功地構建了一段RNA，它可以在RNA單體和轉錄因子的溶液「環境」下複製自身，在這個例子中，複製者是RNA，而複製機制存在於外界環境中。

### 自我複製的等級

近期的研究開始將自我複製者分類，通常基於它們所需要的支持數量。

- 所有或者大部分天然自我複製者都具有非人類的起源。包括天然的生物形態。
- 自養生物的自複製者可以「在野外」進行自我複製。他們可以生產自己的養料。根據設想，人類可能設計出非生物的自養自我複製者，它們可以更容易地製造出人類的產品。
- 自複製系統是一種設想中的系統，它可以從工業原料，例如金屬條或者金屬線中複製自己。
- 自我裝配系統，它可以將分散的成品零件組裝成自己的複製品。這種系統的簡單範例已經在宏觀上實現了。

自我複製機器的設計空間非常廣闊。由 羅伯特·弗雷塔斯和瑞夫·墨克進行的一項比較研究 中識別了137種設計維度，並且將其劃分為十餘種類別，包括：(1) 複製操作， (2) 複製資訊， (3) 複製基底。(4) 複製結構， (5) 被動部分， (6) 主動部件， (7) 複製者能量， (8) 複製者動力學， (9) 複製過程， (10) 複製動作 (11) 產物結構 (12) 演化能力。

### 自複製電腦程式

電腦科學中的自我複製程序，是指一個執行之後可以輸出自身代碼的程序。它也被叫做自產生程式（Quine），以哲學家威拉德·馮·奧曼·蒯因命名。

下面是Python語言的一段自我複製程序：

`a='a=%r;print a%%a';print a%a`

一個更加無趣的方法是編寫一個將任何數據串複製一遍的程序，然後將它指向自身。在這個情況下該程序既是運行的代碼，又是代碼處理的對象。這個方法在許多自複製系統中很常見，包括生物系統。因為它不需要包含那些描述自身的代碼，所以會更簡單。

在許多程序語言中，一段空白的程序也是合法的程序，執行之後不會輸出任何錯誤，也不會輸出任何結果。由於輸出的結果和原程序相同，所以這個程序在理論上也是自我複製的。

### 自我複製紋樣

在幾何學中，如果有一種由多塊全等的瓦片構成的紋樣，可以組合成更大的與自身相似的紋樣，它就可以被稱為自我複製紋樣（self-replicating tiling），這是一個稱為密鋪的領域中的概念。稱為「斯芬克斯」的六塊多形組 （hexiamond）是唯一已知的自我複製的五邊形。例如，4個圖中的凹五邊形可以一起組成一個和原形狀相似但是2倍大小的凹五邊形。所羅門·格倫布 為這樣的自我複製紋樣創造了掱形（rep-tiles）這個術語。

2012年，Lee Sallows將掱形確認為自組合紋樣集（簡稱Setiset）的一個特例。擁有序數n的Setiset是一組n個形狀，可以以n種方式來將自身組合成較大的複製品。其中所有形狀都是獨一的Setiset被稱作「完美的」，一個序數n的掱形是n個瓦片組成的Setiset.

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### 應用

製造出「鏗鏘複製機器」，也就是可以自我複製的宏觀物理裝置，是工程科學的長期目標。通常的出發點是降低批量生產產品的成本。許多權威認為，自我複製機器的生產成本極限會逼近木頭或者其他生物產品的成本，因為自我複製機制避免了常規工業產品的勞動、資本和運輸成本。

有理由相信，一種全新的人造自複製者已經成為近期可以達到的目標。NASA最近的一項研究中組建了一個鏗鏘複製機器，它的複雜度類似於英特爾的奔騰4處理器。這說明，這類技術在商業可接受的時間尺度內可以由一個相對小的工程團體研發出來。

自我複製在實際操作中的一個變體和編譯器的構建有關，它有點類似於自然界的自我複製體中的先有雞還是先有蛋問題。一個編譯器（表現型）可以被應用到編譯器自己的原始碼（基因型）上面，結果得到編譯器本身。在編譯器的開發中，一個產生了突變的原始碼被用於產生下一代的編譯器。這個過程和自然界中的自我複製不同在於它是由程式設計師主導的，而不是自我複製者自己。

## 機器自我複製

自我複製機械是機器人學中的熱門領域。所有的機器人（至少現代機器人）都有許多共通的特點，然而自我複製的機器人（或者一群機器人）通常會有下列功能：

- 獲取構建自己的材料
- 製造新的自我的零件，包括最小的零件以及控制中樞
- 保證能源的穩定供應
- 組裝新的個體
- 糾正後代中出現的錯誤

在納米技術的尺度上，分子裝配器也可以被設計為能夠憑藉自己的能量進行自我複製。然而，這也引起了灰蠱效應引發世界末日的可能性。在《奈米獵殺》、《Bloom》和《Recursion》等科幻小說中有過這樣場景的描述。

前瞻學會向研究者們發布過一個關於製造自我複製機械的指南。這個指南中建議研究者們採用一些特別的技術，例如播存結構，來防止自複製機器失控。

## 和自我複製有關的領域

大部分和自我複製有關的研究都屬於下列領域：

- 生物學對自然界的複製者和複製行為的研究。這可以作為在構建自我複製機器時作為重要的指引。
- 迷因如何在人類文化中擴散的研究。迷音只需要很少的材料，從理論上和病毒很相似，常常被稱為類病毒。
- 納米技術，或者更準確地說，分子納米技術中關於納米尺度的分子組裝機的研究。如果沒有自我複製能力，製造分子機械的資金和人力花費將大得難以想像。
- 太空資源：NASA資助了一些利用自我複製機器來開採太空資源的設計研究。這些研究大多包括電腦控制的可以複製自己的機器。
- 電腦安全：許多電腦安全問題都是由自我複製的電腦程式感染引起的——包括電腦病毒和電腦蠕蟲。
- 在並行計算中，如果要為電腦集群或者分布式計算中的每一個點單獨載入程序，需要花很長時間。使用移動主體來自動載入新程序可以為系統管理員節省大量時間，也會讓使用者更快地得到結果，如果它們沒有失控的話。

## 工業中的自我複製

### 太空探索與工業生產

太空中的自我複製系統的目標，是使用較少的發射質量來探索大批量的物體。例如，一個自養的自我複製機器可以把太陽能電池鋪滿月球或者行星，然後通過微波把能量束傳遞給地球。同樣，這樣的機器也能生產礦石或者工業產品，包括用於運輸這些產品的太空飛行器。另一種自我複製機器馮·諾依曼探測器可以將自身的複製體擴散往星際和宇宙，然後發送回資訊。

一般來說，因為這些系統是自養的，所以它們是最難製造和最複雜的自複製機器。它們也被認為是最有害的，因為它們的繁殖不需要人類的輸入。

關於太空中自我複製機器的經典研究是1980年NASA由羅伯特·弗萊塔斯編輯的，關於自養形鏗鏘複製者的研究。大部分這一類設計研究都包含一個簡單、易操作的化學系統用以處理月球的表岩屑，還需要研究自複製過程所需要的元素比例與表岩屑的元素豐度。比較有限的元素是氯，提取表岩屑中鋁所需的重要元素。氯在月球表岩屑中非常稀少，所以快速的繁殖速度會需要大量的氯元素的輸入。

設計中包含許多由小型計算機控制的電動車廂，它們在軌道上運行，每一節車廂都會有簡單的手臂或者挖斗，成為一個基本的機器人。一個由柱子支撐的太陽能頂棚可以提供能源，其他的機械可以在這個頂棚下運作。「鑄造機器人」可以通過機械臂使用一些塑造工具來製造灰泥模塑。它們很容易製造，可以用來鑄造表面尺寸精確的零件。這些機器人可以使用不導電的石塊融化物（玄武岩）或者導電的金屬來製造大部分零件。它們使用電爐來融化金屬。

在推測中，還有更複雜的「晶片工廠」用來生成電腦和電子系統，但是設計者也認為，實際情況下這些零件可能會從地球運過去，作為某種「維他命」。

### 分子機械

許多納米技術專家相信，在人類能夠設計納米尺度的自我複製組裝器之前，這個學科是不會達到成熟階段的。

這些納米系統會比自養系統簡單得多，因為它們可以得到純淨的原料和能量供給，而不需要自己生產。關於分子水平的複製是否可能，一直存在爭論。許多專家認為它不可能，引用了更複雜的自養自複製系統的例子；而認為它可能的專家，則引用了簡單得多的自組裝系統演示作為例子。在此同時，在2003年進行了一次演示實驗，一個使用樂高構成的自動機器人可以沿著一個預先設定好的軌道，從4個已經製作好的零件組裝自己的複製品。.

僅僅從已知的生物細胞出發來研究自我複製能力是不夠的，因為蛋白質生物合成的能力存在局限。需要設計一個全新的自我複製機器，可以擁有廣闊的合成能力。

2011年，紐約大學的科學家開發出一個可以複製自身的人工結構，複製的過程中存在生產新的物質的可能性。他們展示了除了DNA和RNA之外還有別的分子複製方法，它們可以是不相關的結構，擁有許多不同的形狀，有不同的能力，和不同的化學過程相關聯。對於這些假想中的不同類型的自我複製系統的化學基礎，可以參見假定型生物化學。

## 參考文獻

書籍

- von Neumann, J., 1966, The Theory of Self-reproducing Automata, A. Burks, ed., Univ. of Illinois Press, Urbana, IL.
- Advanced Automation for Space Missions, a 1980 NASA study edited by Robert Freitas
- Kinematic Self-Replicating Machines first comprehensive survey of entire field in 2004 by Robert Freitas and Ralph Merkle
- NASA Institute for Advance Concepts study by General Dynamics- concluded that complexity of the development was equal to that of a Pentium 4, and promoted a design based on cellular automata.
- 《哥德爾、埃舍爾、巴赫》，侯世達（包含詳細的討論和許多例子）
- Kenyon, R., Self-replicating tilings, in: Symbolic Dynamics and Applications (P. Walters, ed.) Contemporary Math. vol. 135 (1992), 239-264.
- http://www.cs.bgu.ac.il/~sipper/selfrep/ The Artificial Self-Replication Page