首(shǒu)先(xiān)问(wèn)一(yī)个(gè)问(wèn)题(tí)：下(xià)图(tú)中(zhōng)，手(shǒu)里(lǐ)把(bǎ)玩(wán)的(de)是(shì)什(shén)么(me)？

相(xiāng)信很多年龄(líng)30+的(de)人(rén)都(dōu)知(zhī)道(dào)，这(zhè)是(shì)“电(diàn)子(zi)宠(chǒng)物(wù)”。

“电(diàn)子(zi)宠(chǒng)物(wù)”是(shì)20世(shì)纪(jì)90年(nián)代(dài)兴(xìng)起(qǐ)的(de)一(yī)种(zhǒng)便(biàn)携(xié)式(shì)电(diàn)子(zi)设(shè)备(bèi)，用(yòng)户(hù)可(kě)以(yǐ)在(zài)其(qí)中(zhōng)饲(sì)养(yǎng)、照(zhào)顾(gù)虚(xū)拟(nǐ)宠(chǒng)物(wù)，并(bìng)与(yǔ)它(tā)们(men)互(hù)动(dòng)。这(zhè)些(xiē)设(shè)备(bèi)通(tōng)常(cháng)以(yǐ)小(xiǎo)型(xíng)液(yè)晶屏幕显示宠物的状态，用户(hù)通(tōng)过(guò)按(àn)键进(jìn)行(xíng)操(cāo)作(zuò)。用户需要定期喂食、清洁、娱乐和照顾电子宠物，否则宠物可能会生病甚至死亡。

那“电子宠物”是不是一种人工生命？

再来问一个问题：下图中，这篮子里的又是什么(me)？

这是一款由Vanguard公司研发的AI宠物机器人Moflin。

在AI的驱动下，Moflin就像一个有情感的“生物”，可以在与人互动的过程中(zhōng)不(bù)断(duàn)学(xué)习(xí)和(hé)进(jìn)化(huà)，表(biǎo)达(dá)和(hé)回(huí)应(yīng)情(qíng)感(gǎn)，就(jiù)像(xiàng)在(zài)与(yǔ)一(yī)只(zhǐ)活(huó)生(shēng)生的宠物互(hù)动(dòng)。

那(nà)这(zhè)类(lèi)萌(méng)萌(méng)的(de)AI宠(chǒng)物(wù)是(shì)不(bù)是(shì)一(yī)种(zhǒng)人(rén)工(gōng)生(shēng)命(mìng)？

以(yǐ)上(shàng)两(liǎng)个(gè)答(dá)案(àn)稍(shāo)后(hòu)揭(jiē)晓(xiǎo)。

人(rén)工(gōng)生(shēng)命(mìng)-ALife的(de)定(dìng)义(yì)

人(rén)工(gōng)生(shēng)命(mìng)（Artificial Life，简(jiǎn)称(chēng)ALife）是(shì)一(yī)个(gè)跨(kuà)学(xué)科(kē)的(de)研(yán)究(jiū)领(lǐng)域，旨(zhǐ)在(zài)通(tōng)过(guò)模(mó)拟(nǐ)和(hé)创(chuàng)造(zào)生(shēng)命(mìng)系(xì)统(tǒng)的(de)行(xíng)为(wèi)、特(tè)征(zhēng)和(hé)过(guò)程(chéng)来(lái)理(lǐ)解(jiě)生(shēng)命(mìng)的(de)本(běn)质(zhì)。人(rén)工(gōng)生(shēng)命(mìng)不(bù)仅(jǐn)仅(jǐn)关注(zhù)生(shēng)物(wù)学(xué)上(shàng)已(yǐ)知(zhī)的(de)生(shēng)命(mìng)形(xíng)式(shì)，而(ér)是(shì)尝(cháng)试(shì)创(chuàng)建(jiàn)能(néng)够(gòu)模(mó)仿(fǎng)或(huò)实(shí)现(xiàn)生(shēng)命(mìng)过(guò)程(chéng)的(de)人(rén)工(gōng)系(xì)统(tǒng)。最(zuì)早(zǎo)先(xiān)由(yóu)计(jì)算(suàn)机(jī)科(kē)学(xué)家(jiā)克(kè)里(lǐ)斯(sī)托(tuō)弗(fú)•兰(lán)顿(dùn)于(yú)1987年(nián)在(zài)洛(luò)斯(sī)阿(ā)拉(lā)莫(mò)斯(sī)国(guó)家(jiā)实(shí)验(yàn)室(shì)召(zhào)开(kāi)的(de)“生(shēng)成(chéng)以(yǐ)及(jí)模(mó)拟(nǐ)生(shēng)命(mìng)系(xì)统(tǒng)的(de)国(guó)际(jì)会(huì)议(yì)”上(shàng)提(tí)出(chū)[1]。

注(zhù)：人(rén)工生命（Artificial life）中的(de)“Artificial”一(yī)词在(zài)中(zhōng)文语(yǔ)境(jìng)里(lǐ)有(yǒu)“人(rén)工(gōng)”之(zhī)意(yì)，但(dàn)笔(bǐ)者(zhě)认(rèn)为(wèi)不(bù)能(néng)准(zhǔn)确(què)地(de)表(biǎo)达(dá)出(chū)Artificial中(zhōng)的(de)“Art”，所(suǒ)以(yǐ)后(hòu)文统(tǒng)一(yī)简(jiǎn)称(chēng)为(wèi)ALife。

ALife的(de)形(xíng)式(shì)

所(suǒ)以(yǐ)在(zài)ALife.org等(děng)科(kē)研(yán)领(lǐng)域的(de)语(yǔ)境(jìng)下(xià)，“电(diàn)子(zi)宠(chǒng)物(wù)”和(hé)装(zhuāng)载(zài)AI的(de)毛(máo)绒(róng)玩(wán)具(jù)的(de)都(dōu)不(bù)能(néng)算(suàn)是(shì)ALife。

那(nà)科(kē)研(yán)领(lǐng)域的(de)ALife有(yǒu)哪(nǎ)些(xiē)形(xíng)式(shì)呢(ne)？

笔(bǐ)者(zhě)梳(shū)理(lǐ)了(le)一(yī)下(xià)核(hé)心(xīn)的几种ALife形式，在某些文章中也把这种形式称之为基质（Substrates）。由于每种形式/基质背后都有很复杂的衍生和体系，文章篇幅有限这里只做简介。

1.鸟群模拟（Boids）

Boids 是一种模拟鸟群、鱼群等(děng)群(qún)体(tǐ)行为的计算机模型，由 Craig Reynolds 在1986年提出。Boids 模型通过简单的规则模拟个体之间的相互作用，从而展现出复杂的群体行为。Boids 不仅用于计算机图形学和游戏开发，还在生物学、机器人学和复杂系统研究中得到广泛应用。

多主体模拟软件Netlogo内置模型就可以进行鸟群模拟。值得注意的是Netlogo的logo就是Boids的图标。

通(tōng)过(guò)Netlogo进(jìn)行(xíng)多(duō)主体(tǐ)模(mó)拟(nǐ)Boids

Boids 模(mó)型(xíng)基(jī)于(yú)三(sān)个(gè)基(jī)本(běn)规(guī)则(zé)，每(měi)个(gè)个(gè)体(tǐ)（称(chēng)为(wèi) Boid）根(gēn)据这些规则调整其运动方向和速度：

聚集（Cohesion）：向邻近个体的平均位置移动，保持群体紧密。

分离（Separation）：避免与邻近个体碰撞，保持一定距离。

对齐（Alignment）：调整运动方向，使其与邻近个体的平均方向一致。

在(zài)线(xiàn)模(mó)拟(nǐ)网(wǎng)站(zhàn)：[eater.net/boids]，可(kě)以(yǐ)修(xiū)改(gǎi)下(xià)方(fāng)的(de)聚(jù)集、分(fēn)离(lí)、对(duì)齐(qí)等(děng)参(cān)数(shù)，观(guān)察(chá)鸟(niǎo)群(qún)不(bù)同(tóng)行(xíng)为(wèi)的(de)模(mó)拟(nǐ)。

2.粒(lì)子(zi)生(shēng)命(mìng)（Particle Life，简(jiǎn)称(chēng)：Plife）

Particle Life 是(shì)一(yī)种(zhǒng)基(jī)于(yú)粒子相互作用的模拟系统，用于研究复杂行为和自组织现象。与传统的元胞自动机（如生命游戏）不同，Particle Life 通过模拟粒子之间的吸引和排斥力，展示出(chū)类(lèi)似(shì)生(shēng)命(mìng)的(de)行(xíng)为(wèi)，如(rú)集群、运动和结构形成。

像生命一样的粒子运动

Particle Life 的核心是设(shè)定(dìng)粒(lì)子(zi)之(zhī)间(jiān)的(de)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)规(guī)则(zé)。每(měi)个(gè)粒(lì)子(zi)根(gēn)据(jù)其(qí)与(yǔ)其(qí)他(tā)粒(lì)子(zi)的(de)距(jù)离(lí)和(hé)周(zhōu)围(wéi)粒(lì)子(zi)类(lèi)型(xíng)，受(shòu)到(dào)不(bù)同(tóng)大(dà)小(xiǎo)的(de)吸(xī)引(yǐn)或(huò)排(pái)斥(chì)力(lì)。这(zhè)些(xiē)力(lì)的(de)组(zǔ)合(hé)决(jué)定(dìng)了(le)粒(lì)子(zi)的(de)运(yùn)动(dòng)轨迹和系统的整体行为。

如下图所示，左侧的颜色矩阵代表粒子运动规则，可以看到一共有6种颜(yán)色(sè)的粒子。矩阵表示的是这些粒子之间的引力与排斥力关系，其中，绿色深浅代表吸引力大小，红色深浅代表排斥力大小。粒子下一时刻的位置就是由周边粒子所决定的。

粒子生命模拟程序，来源：网页[particle-life.com/]

3.生命游戏（Game of Life，简称：GOL）

生命游戏是由英国数学家约翰•康威（John Conway）在1970年提出的一种元胞自动机（Cellular Automaton）。生命游戏通过简单的规则模拟了生命的诞生、生存和死亡，展示了复杂系统如何从简单规则中涌现出复杂行为。其规则非常简单：

细胞只有两种状态，“生”（显示具有颜色），“死”（显示为白色）；而细胞下一刻的“生”与“死”是由细胞周围细胞的状态来决定的，如下图：

生命游戏的生死规则，图片来源：网页[zhuanlan.zhihu.com/p/413827037]

基于该简单规则，通过初始值(zhí)的(de)设(shè)定(dìng)就(jiù)能(néng)展现非常复杂的图案。

最经典的生命游戏

规则扩展后的生命游戏 像绽放的玫瑰

4.Lenia

Lenia 是一种基于连续空间和时间的元胞自动机，由 Bert Wang-Chak Chan 在2018年提出。Lenia 通过扩展传统的元胞自动机（如康威的生命游戏），引入了连续的状态和空间，从而能够模拟出更加复杂和逼真的生命形态。

像水母一样运动的Lenia模(mó)拟(nǐ)生(shēng)命(mìng)

Lenia 的(de)核(hé)心(xīn)思(sī)想(xiǎng)是(shì)将(jiāng)传(chuán)统(tǒng)的(de)离(lí)散(sàn)元(yuán)胞(bāo)自(zì)动(dòng)机(jī)扩(kuò)展(zhǎn)到(dào)连(lián)续(xù)空(kōng)间(jiān)和(hé)时(shí)间(jiān)。每(měi)个(gè)细(xì)胞的状态(tài)不再局限于(yú)离(lí)散(sàn)的“存活”或“死亡”，而是可以在一个连续的(de)范(fàn)围(wéi)内变化。Lenia 的演化规则基于局部相互作用和全局更新，通过卷积核（Kernel）和生长函数（Growth Function）来描述细胞之间的相互作用。

Lenia模拟界面，来源：网页[chakazul.github.io/Lenia/JavaScript/Lenia.html]

5.粒子Lenia（Particle Lenia，简称：Plenia）

Particle Lenia 是 Lenia 的一种变体，将 Lenia 的连续元胞自动机模型扩展到粒子系统。与传统的 Lenia 不同，Particle Lenia 使用粒子来表示状态，并通过粒子之间的相互作用来模拟复杂的行为和自组织现象。Particle Lenia 结合了粒子系统和 Lenia 的优点，能够生成更加动态和多样化(huà)的(de)模(mó)式(shì)。

具(jù)有(yǒu)心(xīn)跳(tiào)的(de)“细(xì)胞(bāo)”

Particle Lenia 的核心思想是将 Lenia 的连续状态和空间扩展到粒子系统。每个粒子具有连续的状态值，并通过局部相互作用规则进行更新。粒子之间的相互作用通过卷积核和生长函数来描述，规则类似于 Lenia 。

粒子Lenia的不同形(xíng)式(shì)，可(kě)参(cān)考(kǎo)：网(wǎng)页(yè)[znah.net/lenia/]

6.神(shén)经(jīng)元(yuán)胞(bāo)自(zì)动(dòng)机(jī)（Neural Cellular Automata, 简(jiǎn)称(chēng)：NCA）

神(shén)经(jīng)元(yuán)胞(bāo)自(zì)动(dòng)机(jī)是(shì)一(yī)种(zhǒng)结(jié)合(hé)了(le)元(yuán)胞(bāo)自(zì)动(dòng)机(jī)和(hé)神(shén)经(jīng)网(wǎng)络(luò)（Neural Networks）的(de)模(mó)型(xíng)。它(tā)通(tōng)过(guò)将(jiāng)神(shén)经(jīng)网(wǎng)络(luò)的(de)表(biǎo)达(dá)能(néng)力(lì)引(yǐn)入(rù)元(yuán)胞(bāo)自(zì)动(dòng)机(jī)的(de)局(jú)部(bù)更(gèng)新(xīn)规(guī)则(zé)，能(néng)够(gòu)生(shēng)成(chéng)复(fù)杂(zá)的(de)、自(zì)适(shì)应(yīng)的(de)模(mó)式(shì)和(hé)行(xíng)为(wèi)。NCA在(zài)计(jì)算(suàn)机(jī)图形学、人工生命、生物学模拟和机器学习等领域具有广泛的应用潜力。

通过NCA构建的一只“形态发生”中(zhōng)的(de)蜥(xī)蜴(yì)

NCA 的(de)核(hé)心(xīn)思(sī)想(xiǎng)是(shì)使(shǐ)用(yòng)神(shén)经(jīng)网(wǎng)络来定义元胞自动机中每个细胞的更新规则。与传统元胞自动机不同，NCA 的规则不是固定的，而是通过神经网络动态学习得到的。这使得 NCA 能够生成更加复杂和多样化的模式，并且具有更强的适应性和泛化能力(lì)。

值(zhí)得(de)一(yī)提(tí)的是，NCA的延伸版GNCA（Growing Neural Cellular Automata）可以通过局部规则实现全局模式的生成和修复，目前广泛用于生物再生能力，癌细胞扩散预测等领域。

GNCA 架构，可参考：网页[distill.pub/2020/growing-ca/]

7.其他ALife形式

其他形式可以参考网站：

网页[google-research.github.io/self-organising-systems/]

该网站的截图

ALife的共性

通过ALife的形式可以看到，ALife存在一个核心概念，就是自组织（Self Organising）。自组织指系统内部通过局部的交互作用和简单的规则，自动生成复杂、结构化的整体行为，而无需外部的中央控制。也就是说，ALife这些类生命现象，都由更小的“主体”自组织组成。

就像很多粒子组成了“细胞”，很多蜜蜂组成了蜂群一样，多个主体（Agent）组成更高形态的“类生命”。这些主体并不听命于某个中央控制的主体，而是基于一定的规则（如核函数）来决定自己的状态。

比如，在生命游戏中，某个点的下一时刻状态就是由“邻居”状态组成，如图：

生命游戏的核函数作用范围：大小为3x3（红色部分），来源：网页[www.youtube.com/watch?v=6kiBYjvyojQ]

使用A来表示当前状(zhuàng)态(tài)，使(shǐ)用(yòng)K来表示核函数，那么生命游戏中，世界的变化就可以用以下的公式来表达：

生命游戏的范式，来源：网页[www.youtube.com/watch?v=7-97RhAZhXI&t]

对于Lenia，世界变化的范式与生命游戏相同，也由当前状态A和核函数K决定，区别就在于使用的具体函数不同。例如，Lenia的核函数范围就不只是3*3范围，而是更大的范围，如图：

Lenia的核函数作用于更大的范围（红色部分）

笔者基于自己的理解整理了一个表格，来描述不同ALife形式/基质的不同。

ALife常见形式/基质一览

从(cóng)上(shàng)表(biǎo)可(kě)以(yǐ)看(kàn)出(chū)，主流(liú)的(de)ALife的(de)底(dǐ)层(céng)结(jié)构(gòu)都(dōu)是(shì)相(xiāng)同(tóng)的(de)，都(dōu)表(biǎo)现(xiàn)为(wèi)基(jī)于(yú)一(yī)定的规则进行主体状态/行为模拟，允许灵活配置属性或规则环境参数，通过自组织的互动最终产生复杂的全局行为。从一定意义上来讲，ALife就是某种ABMS（Agent Base Modeling Simulation）——多主体建模模拟。这也符合我们对生命的发现：

生命是一种涌现，即微观个体通过自组织组成宏观的“生命”。

AI自动发现ALife

最近，Sakana AI联合来自MIT、OpenAI、瑞士AI实验室IDSIA等机构的研究人员，公开了“自动搜索人工生命”的新算法[2]。许多公众号对该论文进行了解读，并纷纷采用“震惊体”作为标题，发表了大量文章。这些文章似乎在暗示AI已经揭开了生命起源的秘密，引发了广泛关注。但笔者仔细阅读该论文后，发现其核心逻辑并不复杂。

笔者用之前提到的AI宠物机器人Moflin做个例子，将图片提供给AI，得到的回答是：这不是生命。

AI对Moflin是否为生命的判断：不是

笔者再将兔子的照片提供给AI，得到的回答是：这是生命。从AI的完整回答可以看出，目前AI对图片是否具有生命的判断和人基本一致，且有一定的逻辑。

AI对兔子是否为生命的判断：是

类似地，笔者再将(jiāng)两(liǎng)张ALife的图片提供给AI。

AI对一种ALife是否为生命的判断：不是

AI对另一种ALife是否为生命(mìng)的(de)判(pàn)断：是

从AI给出的回答可以看出，AI是有一定能力从视觉角度来区分“生命”的，会将图片内容与大模型已知生命形式和特征进行相(xiāng)似(shì)性(xìng)比(bǐ)较(jiào)，进(jìn)而(ér)判(pàn)断(duàn)图(tú)中(zhōng)对(duì)象(xiàng)是(shì)否(fǒu)具(jù)有(yǒu)“生(shēng)命(mìng)”。同(tóng)样(yàng)，这(zhè)也(yě)是(shì)“自(zì)动(dòng)搜(sōu)索(suǒ)人(rén)工(gōng)生(shēng)命(mìng)”算(suàn)法(fǎ)的(de)底(dǐ)层(céng)逻(luó)辑(ji)。

具(jù)体(tǐ)而(ér)言(yán)，“自(zì)动(dòng)搜(sōu)索(suǒ)”算(suàn)法(fǎ)解(jiě)决(jué)的(de)问(wèn)题(tí)就(jiù)是(shì)“如(rú)何(hé)判(pàn)断(duàn)一(yī)个(gè)或(huò)多(duō)个(gè)物(wù)体(tǐ)是(shì)不(bù)是(shì)生(shēng)命(mìng)”。目(mù)前(qián)ALife的(de)形(xíng)式(shì)/基(jī)质(zhì)只(zhǐ)能(néng)通(tōng)过(guò)视(shì)觉(jué)表(biǎo)达(dá)，所(suǒ)以(yǐ)这(zhè)里(lǐ)的(de)“自(zì)动(dòng)搜(sōu)索(suǒ)”就(jiù)是(shì)让(ràng)AI学(xué)会(huì)通(tōng)过(guò)“视(shì)觉(jué)”来(lái)判(pàn)断(duàn)哪(nǎ)个(gè)图(tú)像更像生命。

由于生命是“活”的，在时间尺度上是会呈现一定的动态变化，所以自动搜索是搜索时间序列的一系列图像，给这些图像或视频与生命特征的相似性程度进行打分，基于相似分数来判定其是否是“生命”。这种评估是基于模型从大规模数据中学习到的统计模式，而不是真正的“判断”能力。用一句话总结，“基础模型”是通过视觉-语言基础模型对模拟生成的图像序列进行评估，从而利用人工智能高效地搜索有趣的ALife模拟。

“自动搜索人工生命”算法虽然底层逻辑很简单，但提供了一个很好的框架。框架内包含(hán)三种搜索机制：目标导向搜索（寻找符合特定描述的生命形式），开放式进化搜索（寻找能持续有新颖性的ALife模拟），以及多样性照明搜索（探索整个可能的生命形式空间）。借助这个框架，有望揭示：究竟是什么样的规则，对产生“生命”现象起到关键作用。

原文提供了网站可视化自动搜索ALife发现的关键参(cān)数(shù)等(děng)内(nèi)容(róng)[3]，以(yǐ)及(jí)提(tí)供(gōng)了(le)实(shí)现(xiàn)的(de)源代码，涵盖了本文介绍的所有形式/基质，并且还可基于接口继续扩展更多的类型[4]。

可视化网站截图，关键参数对形成“生命”具有关键作用

ALife的启示意义

前阵子有一个爆火的视频，讲述的是一群蚂蚁在搬运工字形物件穿越障碍的速度快于人类水平。这似乎预示着蚂蚁擅长集体解决难题，在某些情况下甚至比人类更聪明！

蚂蚁和人类解决搬运问题的示意图，来源：网页[www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2414274121]

从某种意义上来讲，ALife和蚂蚁搬运的案例都提示我们，智能和生命可能都是一种涌现，都是从简单的局部规则可以涌现出复杂的全局行为模式。这也呼应了Anderson在‘More is Different’一文中提出的观点：复杂系统的行为往往无法仅通过其组成部分的性质来预测。

从个体自组织以及他们之间的非线性关系，我们可以得到以下启发：

1.复杂系统源于简单规则。复杂的全局行为可以从简单的局部规则涌现，无需中央控制。

2.自组织与适应性。涌现现(xiàn)象(xiàng)展(zhǎn)示(shì)了(le)系(xì)统(tǒng)如(rú)何(hé)通(tōng)过(guò)自(zì)组(zǔ)织适应环境变化，个体之间通过局部的互动不断调整状态，以应对外部的变化，保持整体系统的稳定性与功能。

3.去中心化的力量。去中心化系统能够通过局部交互实现全局目标，避免集中式控制可能带来的单点故障。

4.生命与智能的本质。生命和智能这些特征可能并非从一开始就设计好的功能，而是通过自组织和进化过程涌现出来的。

5.创新与(yǔ)创(chuàng)造(zào)力(lì)。创新和创造往往是涌现的结果，它们源自个体的多样性、个体间的交互和竞争。

6.系统思维的视角。理解复杂系统需要从整体和局部两个层面进行分析，才能全面理解系统的运作方式。

结语

研究(jiū)ALife提(tí)供(gōng)了(le)一个很好的数学化视角，用于直观分析生命与智能的涌现过程。同时，ALife的研究框架也为研究者和爱好者提供了一个重要的平台，促进了在同一领域内的知识共享与交流。
More is different。

多者异也。

参考资料

[1] 网页[zh.wikipedia.org/zh-sg/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E7%94%9F%E5%91%BD]

[2] 网页[arxiv.org/abs/2412.17799]

[3] 网页[asal.sakana.ai/

[4] 网页[github.com/SakanaAI/asal]

本文为-创作培育计划扶持作品

作者：韩司阳、彭晨

审核：张江 北京师范大学系统科学学院教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司