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Das nachstehende, ins Deutsche übersetzte Material ist das erste Kapitel eines Buchs von Robert A. Freitas Jr. und Ralph C. Merkle, mit dem Titel: Kinematic Self-Replicating Machines. Es ist 2004 bei Landes Bioscience, Georgetown, TX erschienen. Bezugsquellen und Weblinks findet man ganz unten.

Kinematische Selbst-Replizierende Maschinen

1. Das Konzept selbst-replikativer Maschinen

Für den größten Teil menschlicher Geschichte trugen die menschlichen Werkzeuge und Maschinen keinerlei Ähnlichkeit mit lebenden Organismen und gaben keinen Hinweis auf Gemeinsamkeit zwischen dem Lebenden und dem künstlich Hergestellten [150]. In paleolithischen Zeiten [151-158] waren die meisten vom Menschen hergestellten Maschinen primitive Knochen- oder Holzstöcke, grob geformte Handäxte und Werkzeuge aus Feuerstein [157], grob zugehauene Boote [156] und ähnliches. Erst Jahrhunderte nach Ende des paleolithischen Zeitalters und in Folge der Entwicklung der Metallurgie [159], der Geburt der Landwirtschaft [160] und der Gründung der ersten Zivilisationen [161] stellten Menschen die ersten komplexen Werkzeuge her, solche wie Pflüge und mit Rädern bestückte Wagen, die aus einer großen Zahl wechselwirkender, sich gegenseitig beeinflussender Teile bestanden, und altertümliche chinesische Armbrüste  [162] und Schlösser [163]. In klassischen Zeiten waren viele Werkzeuge ganz hochentwickelt und beinhalteten die berühmte alexandrinische Wasseruhr von Ctesibus [164], die Schraube des Archimedes [165, 166], römische Militärkatapulte [165, 167], die Dampfmaschine des Helden von Alexandria [168] und andere Automaten [169] - und schließlich den antiken anthikytherischen Computer [170] - ein uhrenähnlicher Mechanismus, der 31 ineinander verwobene Getriebe enthielt und als Kalendergerät zur Kalkulation der Positionen von Sonne und Mond diente.

Im 15. und 16. Jahrhundert war die westliche Technologie zu einer Stufe fortgeschritten, auf der Maschinen lebensähnliche Charakteristika anzunehmen begannen [150]. So wurden zum Beispiel das Verbundmikroskop und das Teleskop in den Jahren 1590, bzw. 1608 in Analogie zum Auge der Vertebraten erfunden. Die Luftpumpe, die hydraulisches Pumpen in Analogie zum Herzen ermöglichte, wurde 1654 erfunden. Maschinen begannen, noch in primitiver Weise, einige Charakteristika und Eigenschaften lebendiger Kreaturen zu zeigen. Das 17. und 18. Jahrhundert sah ebenfalls die ersten erfolgreichen Versuche, lebensähnliche Automaten zu konstruieren [171-175]. Zum Beispiel hatte Vaucansons Ente (Abb. 1.1), zum erstenmal konstruiert und ausgestellt im Jahre 1739 von Jacques de Vaucanson (1709 - 1782), über eintausend bewegliche Teile und war überzeugend in der Lage, anscheinend zu essen, zu trinken, den Darm zu entleeren, zu quaken, zu watscheln und mit den Flügeln zu schlagen [174-177]. Solche Fortschritte brachten die nahe liegende Idee auf, daß es möglich sein könnte, alle Charakteristika des Lebens [180-186] in mechanischer Form zu verwirklichen - vielleicht sogar die Möglichkeit zum Wachstum und zur Reproduktion.

Selbst-Replikation ist das Kennzeichen lebender Systeme, obwohl nicht länger mehr in Ausschließlichkeit. Es ist ein Mythos, der immer noch von einigen beharrlich erklärt wird [150], daß "keine Maschine diese Fähigkeit auch nur im geringsten Masse besitzt" und daß "selbst die bescheidensten Ziele der Selbstmontage in keinster Weise erreicht worden wären". Im Gegenteil, Replikation als einfacher mechanischer Bestandteil von Selbstmontage wurde zum ersten Mal in den Fünfziger Jahren zustande gebracht, vor fast einem halben Jahrhundert, und LEGO® basierte autonome makroskalierte Replikatoren sind heute gebaut worden und arbeiten in den Laboratorien (vergl. Abschnitt 3.23). Künstliche selbst-replizierende Software erschien zum ersten Mal in den Sechziger Jahren, und vermehrte sich in späteren Jahrzehnten sehr schnell in Form von Würmern, Viren, Programmen, die sich mit künstlichem Leben befaßten (sog. "artificial life" Programme) und diversen anderen virtuellen Spezies, hauptsächlich in code-günstigen Umgebungen wie zum Beispiel auf PCs und im Internet (Abschnitt 2.2.1). Gegenwärtig existiert die Technologie, um künstliche, selbst-replizirende Hardware-Entitäten zu bauen, wie aus den zahlreichen theoretischen Vorschlägen und den guten, wenn auch noch schwachen Resultaten der Ingenieurskunst, die bis heute in den Laboratorien erreicht wurden, ersichtlich ist. Einen verständlichen Überblick über diese Vorschläge und Resultate zu geben, ist ein Hauptthema dieses Buches.

Die Idee, daß eines Tages Maschinen zur Selbst-Replikation fähig seien, ist mindestens Hunderte von Jahren alt. Zum Beispiel wird gesagt [1081], daß, als Descartes (1596-1650) gegenüber seiner königlichen Schülerin, Königin Christina von Schweden, vor über 300 Jahren zum ersten Mal seine Idee äußerte, daß der menschliche Körper eine Maschine wäre* [187], sie ihm eine kongeniale Frage stellte: "Wie," fragte sie, "können Maschinen sich selbst reproduzieren?"** Samuel Butler (1835 - 1902) versuchte in seiner Novelle Erewhon [188], die erstmals 1872 publiziert wurde, tapfer eine Antwort auf ihre Nachfrage zu geben, indem er argumentierte: "Sicherlich können wir von einem reproduktiven System sprechen, wenn eine Maschine dazu fähig ist, systematisch eine andere Maschine zu reproduzieren. Was sonst ist ein reproduktives System, wenn nicht ein System zur Reproduktion? Und wie wenige solcher Maschinen gibt es, welche nicht systematisch von anderen Maschinen reproduziert worden sind? Aber der Mensch veranlaßt sie dazu. Ja, aber sind es nicht Insekten, die viele Pflanzen reproduktiv machen und würden nicht ganze Pflanzenfamilien aussterben, falls ihre Befruchtung nicht von Vertretern einer ihnen völlig fremden Art bewirkt würde? Sagt irgend jemand, das vierblättrige Kleeblatt habe kein reproduktives System, weil die einfache Biene (und nur die einfache Biene) ihr helfen und sie unterstützen muß, bevor sie reproduktiv sein kann? Niemand. Die einfache Biene ist Teil des reproduktiven Systems des vierblättrigen Kleeblatts."***

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* Aus Descartes' "Abhandlung über den Menschen"[187]: "Ich nehme an, daß der Körper nichts anderes ist als eine Maschine . . . Wir sehen Uhren, Kunstbrunnen, Mühlen und andere solche Maschinen, die, obwohl nur vom Menschen gemacht, das Vermögen haben, sich aus eigenem Antrieb auf viele verschiedene Art zu bewegen . . . man könnte die Nerven der Maschine, die ich beschreibe, mit den Getrieben dieser Brunnen vergleichen, seine Muskeln und Sehnen mit den unterschiedlichen Geräten und Federn, die sie in Bewegung setzen . . . die Verdauung, das Schlagen des Herzens und der Arterien . . . Atmung, das Gehen . . . ergeben sich aus der schieren Anordnung der Maschinenorgane in jedem Stück ebenso natürlich, wie die Bewegungen einer Uhr oder anderer Automaten sich aus den Anordnungen ihrer Gegengewichte und Räder ergeben."

** In einer Version [189] dieser Anekdote kontert die Königin Descartes' Vorschlag, der Mensch sei nicht mehr als eine Maschine, mit der Bemerkung: "Ich habe noch nie gesehen, daß eine Maschine Kinder zeugt." Eine verwandte Variante [190] berichtet, die Königin hätte auf eine Uhr gezeigt und befohlen: "Sorg dafür, daß sie Nachkommen zeugt."

*** Die Werbe-Website für BEAM Roboterspiele (von Roboterenthusiasten und Bastlern gefördert) bietet eine ähnliche Ansicht an, indem sie den Robotikexperten Mark W. Tilden zur Geltendmachung zitiert, daß, während "selbst-reproduzierende Roboter noch lange Zeit (wenn überhaupt) nicht gebaut werden können," eine Evolution von Maschinen, die aufeinanderfolgende Generationen von Robotern einschließt, vorkommen könnte, falls wir "den Menschen betrachten als die Art, wie ein Roboter einen anderen Roboter (er)zeugt," ein Prozeß, den Tilden "Robobiologics"[191] nennt.

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In einem moderneren Kontext (Abb. 1.2) bemerkt der Astronom Robert Jastrow [192]:

Der Computer - eine neue, dem reinen Denken verschriebene Lebensform - wird von seinen menschlichen Partnern versorgt, die mit Elektrizität und Ersatzteilen für seine körperlichen Bedürfnisse sorgen werden. Der Mensch wird ebenso für die Reproduktion der Computer sorgen. Computer besitzen keine DNA Moleküle; sie sind keine biologischen Organismen. Wir sind die reproduktiven Organe der Computer. Wir erschaffen neue Generationen von Computern, eine nach der anderen . . .

Vor ungefähr zwei Jahrhunderten war William Paley [194] (einst der Erzbischof von Carlisle) offensichtlich der Erste, der eine teleonomische These formulierte, in der er Maschinen, die andere Maschinen hervorbringen [195], beschrieb. An einer Stelle seines philosophischen Diskurses von 1802 fordert er den Leser auf - nachdem er einen Mann beschrieben hat, der einen Stein und eine Uhr findet -, sich eine Uhr vorzustellen, die andere Uhren macht:

Nehmen wir als nächstes an, die Person, welche die Uhr fand, würde nach einiger Zeit entdecken, daß sie zusätzlich zu den Eigenschaften, die er bisher an ihr beobachtet hatte, die unerwartete Eigenschaft hätte, aus dem Gang ihrer Bewegungen heraus eine andere, ihr selbst gleiche Uhr hervorzubringen (das ist denkbar); daß sie innerhalb ihres Mechanismus ein System von Teilen enthielte, eine Form zum Beispiel oder eine komplexe Anordnung von Leisten, Feilen und anderer Werkzeuge, die offensichtlich einzig und allein zu diesem Zweck entworfen wurden; fragen wir uns nun: welchen Effekt sollte solch eine Entdeckung auf seine vorherigen Schlüsse haben? . . . Die Frage ist nicht einfach, Wie entstand die erste Uhr? Eine Frage, die, könnte man vorbringen, dadurch beantwortet würde, indem man annähme, daß die Reihe von Uhren, die auf solche Art und Weise von einander hergestellt worden waren, unendlich sei und daheraus keine solche erste Uhr hätte haben müssen, wofür es notwendig war, einen Grund zu finden . . .

Ernsthafte wissenschaftliche Studien über selbst-replizierende Strukturen oder Maschinen gibt es nun seit mehr als 70 Jahren, nachdem sie zuerst 1929* von J. D. Bernal [196] vorher gesehen wurden und von Mathematikern wie Stephen C. Kleene, der die Rekursionstheorie** in den Dreißiger Jahren zu entwickeln begann. Obwohl ursprünglich von einem anhaltenden Interesse an Biologie getrieben, waren viele seiner Arbeiten vom Verlangen beseelt, die fundamentalen informationsverarbeitenden Prinzipien und Algorithmen zu verstehen, die bei der Selbst-Replikation beteiligt sind, sogar unabhängig von ihrer physikalischen Realisierung [200]. Während der letzten zwei Jahrzehnte [197-228], ist offenbar geworden, daß eine geeignete Realisierung selbst-replikativer Maschinerie - besonders die molekulare Montageeinheit, "molecular assembler", (ein Herstellungs-System, das fähig ist, auf molekularer Ebene präzise Fabrikations- oder Montageoperationen durchzuführen) - auch die Herstellung makroskopischer Quantitäten präzise konstruierter molekularer Maschinen durchführbar machen könnte, mit weit reichenden Konsequenzen für den Fortschritt der menschlichen Rasse [199]. Aber bevor wir spezifische Designs für molekulare Montageeinheiten erforschen können, ist es notwendig, in diesem Buch, die theoretischen und experimentellen Grundlagen der maschinellen Selbst-Replikation zu überprüfen und im Zusammenhang zu erfassen.

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* Stanislaw Ulam, ein polnischer Mathematiker, der mit John von Neumann befreundet war, gab im Jahre 1937 und später von Neumann die ursprüngliche Idee für zellulare Automatreplikatoren, wie er sich erinnert "als wir 1929 in einem Kaffeehaus in Lwow saßen und über die Möglichkeit künstlicher Automaten, die sich selbst reproduzieren, spekulierten."[237]

** Im gegenwärtigen modernen Kontext sagt das Rekursionstheorem, daß man irgend ein beliebiges Programm so noch einmal schreiben kann, daß es zuerst eine Kopie von sich selbst ausdruckt, bevor es seine Ausführung beginnt. Streng formalistisch gesagt: für jede Turing Maschine T gibt es ein 'T', derart, daß 'T' eine Beschreibung von 'T' auf seinem Band ausdruckt und sich dann in genau der gleichen Weise verhält wie T. Die Rekursionstheorie wurde zuerst von Stephen C. Kleene [238] und anderen Mathematikern [239-241] ab den Dreißiger Jahren entwickelt.

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Die Vorstellung einer Maschine, die sich selbst reproduziert, besitzt große immanente Bedeutung und ruft unweigerlich eine beträchtliche Palette von Antworten hervor - einige dahingehend, die Unmöglichkeit des Verfahrens zu beweisen, andere nur skeptisch in Hinsicht darauf, daß es durchgeführt werden kann, aber fast alle von ihnen zeigen einen Unwillen, diese Frage einer gründlichen Untersuchung zu unterwerfen. Bei der Diskussion um die Selbst-Replikation von Automaten ist es wesentlich, von Anbeginn an wichtige Grundregeln für die Diskussion festzulegen. [242] Zum Beispiel nach Kemeny [243]: "Wenn wir [mit dem Begriff 'Reproduktion'] die Kreation eines Objektes wie sein Original aus dem Nichts meinen, dann kann sich keine Maschine selbst reproduzieren - aber genauso wenig kann es ein Mensch . . . Das charakteristische Merkmal der Reproduktion des Lebens ist, daß der lebende Organismus einen neuen Organismus, wie er selbst einer ist, aus unbeweglicher, ihn umgebender Materie schaffen kann."

Oft wird darauf bestanden, daß nur biologische Organismen sich selbst reproduzieren können. Folglich können Maschinen, per definitionem, das Verfahren nicht ausführen. Ein verwandtes Argument, das mindestens bis Leibniz (1646 - 1716) zurück reicht [244] und sogar heute noch widerhallt [245, 246], ist die Unmöglichkeit der Herstellung künstlicher Automaten, welche die Ebenbürtigkeit sind von göttlich geschaffenem Leben, vergl. Frankenstein [247] und den Golem [248, 249].* Aber moderne Schriftsteller [199, 1269] würden argumentieren, daß alle lebenden Organismen Maschinen sind und folglich sei der Beweis für die maschinelle Reproduktion in der Biosphäre der Erde zu finden. Diese Linie der Logik hatte ihren Ursprung vor mindestens drei Jahrhunderten in den Schriften von Descartes [187] und wurde später von den französischen Materialisten der Aufklärung aufgegriffen wie von Julien Offroy de La Mettrie (1709-1751)[250], Baron d'Holbach (1723-1789)[251] und Pierre Cabanis (1757-1808)[252], ebenso von Paley (1743-1805)[194], die alle darauf bestanden, daß Menschen Maschinen sind. Das setzte sich 1863 fort in Samuel Butlers Essay "Darwin unter den Maschinen", in dem Butler die unausgereiften Anfänge der Miniaturisierung, Replikation und Telekommunikation unter Maschinen betrachtete: "Zuerst fragte ich mich, ob das Leben nicht doch sich selbst zurückführen läßt auf die Komplexität des Baus eines unvorstellbar komplizierten Mechanismus." Butler erinnert sich im Jahre 1880, die Entwicklung seiner Ideen zurück verfolgend [253]: "Falls nun die Menschen schließlich nicht wirklich lebendig wären, sondern nur Maschinen von so kompliziertem Bau, daß es für uns einfacher wäre, die Schwierigkeit abzuschneiden und zu sagen, diese Art von Mechanismus "sei lebendig", warum sollten Maschinen letztlich nicht genauso kompliziert werden, wie wir es sind, oder auf jeden Fall kompliziert genug, um lebendig genannt zu werden, und tatsächlich genauso lebendig sein, wie es in der Natur von allem überhaupt ist? Falls es nur eine Frage ihrer Kompliziertheit sein sollte, so tun wir sicherlich unser Bestes, sie so werden zu lassen."

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* Ähnlicherweise werden die Roboter in Karel Capek's historischem Science-fiction-Theaterstück "R.U.R. (Rossum's Universal Robots)" [657] - in dem das Wort "Roboter" zum ersten Mal gebildet wurde (der Ausdruck leitet sich her vom tschechischen Wort "robotnik", Leibeigener oder Bauer, und wurde Karel von seinem Bruder Josef vorgeschlagen) - in einer Fabrik hergestellt, die von intelligenten Robotern geführt wird, aber den Robotern fehlt ein inviduelles Wissen von der Selbst-Reproduktion [254-256]. Da sagt einer der Charaktere in dem Stück von den Robotern: "All diese funkenagelneuen Dinger sind eine Beleidigung des Herrn. Völlige Bösartigkeit. Die Welt verbessern zu wollen, nachdem Er sie gemacht hat."

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Es wird manchmal in ähnlicher Weise der Anspruch erhoben, daß, obwohl Maschinen andere Maschinen produzieren können, können sie nur Maschinen produzieren, die weniger komplex sind als sie selbst. [3] Diese "nötige Degeneration" des Maschinenkonstruktionsprozesses setzt voraus, daß eine Maschine niemals eine andere Maschine machen kann, die genauso so gut ist wie sie selbst. (Ein automatisiertes Montageband kann, wie man sagt, ein Auto herstellen, aber keine Anzahl von Automobilen werden imstande sein, ein Montageband zu konstruieren.) Auch Kant (1724-1804)[257] argumentierte in ähnlicher Weise, daß ein Organismus und eine Uhr sich auf der Grundlage der Interaktionen zwischen ihren Teilen unterscheiden: "[in einem natürlichen Produkt]...muß das Teil ein Organ sein, das die anderen Teile produziert - jedes, konsequenterweise, die anderen in reziprokativer Weise produzierend. Kein Apparat der Kunst entspricht dieser Beschreibung." Diese Argumente versagen, wenn wir die Sicht von der Biologie als Maschinen akzeptieren, weil die menschliche Zygote (eine einzelne Zelle) dazu fähig ist, eine erheblich komplexere Struktur als sie selbst zu konstruieren - insbesondere ein menschliches Wesen, das aus Trillionen spezialisierter Zellen in sehr spezifischer Architektur besteht und von einem Gehirn beherrscht wird (auf einem hohen Level von Abstraktion), das viele Gigabytes speichern kann und möglicherweise viele Terabytes an Daten (Abschnitt 5.10).* Argumente, die auf Degeneration basieren, sind ebenso leicht zu überwinden, indem man die Möglichkeit inferentialen "Reverse Engineering" anerkennt. (Abschnitt 2.3.4)

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* Kantische Argumente betreffs des Unterschieds zwischen lebenden und nicht-lebenden Dingen sind kürzlich wieder belebt worden mit Diskussionen um die Natur des Lebens in der Biologie, worin der Anspruch erhoben wird, daß ein Mensch oder ein lebender Organismus im allgemeinen nicht durch eine Maschine dargestellt werden kann wegen der kontinuierlichen oder quantenmässigen Natur lebender Systeme im Gegensatz zur diskreten oder Newtonschen Natur von Computern und Maschinerie - das zentrale Argument dabei ist, daß das Leben eine kurvenmäßige Natur hat, die nur durch eine unendliche Anzahl von Vorgängen digitalisiert werden kann[258]. Luksha [128] jedoch bemerkt, daß selbst wenn Selbst-Replikation in lebenden Systemen nicht digitalisiert werden könnten, das nur bedeutete, daß wir mit den 'diskreten' Werkzeugen, die wir gewöhnlich anzuwenden versuchen, einschließlich zellulärer Automaten, diesen Vorgang nicht richtig modellieren können. Eine selbst-reproduzierende Maschine würde in der realen Welt agieren, folglich wäre sie allen Gesetzen der physikalischen Wirklichkeit untergeordnet und könne dadurch das gleiche nicht-lineare Verhalten produzieren.

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Eine andere gewöhnlich vorgebrachte Einwendung ist, daß eine Maschine, die ein Duplikat von sich selbst herstellt, eine Beschreibung ihrer selbst benutzen müßte. Diese Beschreibung, als Teil der originalen Maschine, muß selbst beschrieben werden und in der originalen Maschine enthalten sein und so weiter, bis es herauskommt, daß wir in eine unendliche Regression gezwungen worden sind. Eine Variante hiervon ist die strittige Behauptung, daß eine Maschine, die solch eine Beschreibung ihrer selbst nicht enthält, sich selbst als Beschreibung benutzen müßte, folglich die Mittel besitzen müßte, sich selbst wahrzunehmen, um die Beschreibung erhalten zu können.* Aber was ist dann mit dem Teil der Maschine, der die Selbstwahrnehmung vornimmt? Es kann sich selbst nicht wahrnehmen, würde also niemals die Inspektion beenden können, die nötig wäre, um eine komplette Beschreibung zu erhalten. All diese selbstbezogenen Rätsel sind behandelt und gelöst worden von Theoretikern, wie wir unten sehen werden (Abschnitt 2.3.3). Zum Beispiel, eine simple Antwort auf das beschriebene Problem der Selbstwahrnehmung ist die, daß die Originalmaschine multiple Wahrnehmungsorgane besitzen könnte, so daß die Wahrnehmung untereinander geteilt oder verändert werden könnte. Ebenso muß man die Frage stellen, wie detailliert eine Selbstbeschreibung für den Vorgang sein müßte, um als Selbstbeschreibung qualifiziert zu sein - eine Beschreibung auf atomarer Ebene, auf Teile-Ebene oder eine Beschreibung auf der Ebene aktiver Subteile? Eric Benson [259] fragt amüsanterweise: "Wie wäre es mit einem Roboter, der einen ihm identischen Roboter baut, indem er seine eigenen Teile benutzt? Vorstellbar ist, daß der Roboter sein Bein abschraubt, dann sein anderes Bein, sie miteinander verbindet und, nach einem langen Prozeß, nimmt der Roboter, der aus den zwei Beinen gebaut wurde, das letzte übrig gebliebene Teil, vielleicht den Kopf, und fügt es sich selber an. Was wäre, wenn das Ziel des Roboters wäre, sich durch eine Wand mit einem winzigen Loch hindurch selbst zusammen zu setzen und der sich deshalb ziemlich gründlich auseinander nehmen müßte, bevor er sich auf der anderen Seite wieder aufbauen könnte?" Man muß festhalten, daß eine selbst-reproduzierende Lebensform keine expliziten Vorschriften zum Zusammenbau der nächsten Generation enthält; die Gene enthalten eher zellulare automatenähnliche Vorschriften für die Baugruppen. (Abschnitt 5.1.9)

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* Hofstadter schreibt [260]: "Stellen Sie sich vor, Sie möchten, daß ein im Raum umherstreifender Roboter eine Kopie seiner selbst baut aus Rohmaterial, das ihm auf seinen Reisen begegnet. Hier ein Weg, wie man es tun könnte: machen Sie den Roboter symmetrisch, wie einen Menschen. Machen Sie den Roboter auch fähig dazu, eine Spiegelbild-Kopie jeder beliebigen Struktur, die ihm auf dem Wege begegnet, herzustellen. Schließlich, sorgen Sie dafür, daß der Roboter dazu programmiert ist, die Welt unaufhörlich abzuscannen, so, wie ein Falke den Erdboden nach Nagetieren absucht. Das Suchbild im Falle des Roboters ist das eines Objektes, das identisch zu seiner eigenen linken Hälfte ist. Der Roboter braucht nicht zu wissen, daß sein Ziel identisch zu seiner linken Hälfte ist; die Suche kann fröhlich weiter gehen nach etwas, das nur eine sehr komplexe und arbiträre Struktur zu sein scheint. Wenn er dann, nachdem er das Universum googolplexe Jahre lang durchforstet hat, auf solch eine Struktur stößt, dann wird der Roboter natürlich seine Spiegelbild-Produktionseinrichtung in Gang setzen und eine rechte Hälfte erschaffen. Der letzte Schritt besteht darin, die zwei Hälften aneinander zu befestigen - und presto! Eine Kopie erscheint. Leicht wie ein Eierkuchen - vorausgesetzt, Sie sind willens siebzehn googleplexe Jahre lang zu warten (mit mehr oder weniger Minuten Unterschied)... Was wir wirklich idealerweise von einem selbst-replikativen Roboter wünschen, ist die Fähigkeit, sich selbst buchstäblich von Grund auf zu erschaffen: sagen wir, zum Beispiel, um Eisen zu schürfen, oder um es zu schmelzen, es in Formen zu geben, um Schrauben und Muttern herzustellen  und Bandeisen und so weiter; und schließlich, daß er fähig ist, die kleinen Teile zu größeren und immer größeren Unter-Einheiten zusammen zu montieren, bis, wunderbarerweise, eine Replik aus wahrhaft rohem Material geboren wird. Dies war der Geist der Von Neumann Herausforderung...dieser 'selbst-replikative Roboter der zweiten Art'."

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Eine noch anders bezogene Einwendung ist die, daß für einen replikativen Prozeß die Maschine dahin kommen muß, sich selbst zu "verstehen" - an welchem Punkt gemeinhin angenommen wird, es sei wohlbekannt, daß "das Teil nicht möglicherweise das Ganze verstehen kann", ein Argument, das oft in verschiedenen Kontexten zum Ausdruck gebracht wird [261] und augenscheinlich auf wenigstens Epikureus (341-270 v.Chr.) zurück datiert. * Solche Disputationen offenbaren, daß es historisch einen tief sitzenden Widerstand gegen die Vorstellung von Maschinen gegeben hat, die sich selbst reproduzieren,** so wie eine ebenso starke Begeisterung für dies Konzept. Der ungarisch-amerikanische Mathematiker John von Neumann, der erste Wissenschaftler, der ernsthaft mit dem Problem der maschinellen Selbst-Replikation zu Rande gekommen ist, hat einmal festgestellt, daß es leicht sei, dieses Problem zu beseitigen, indem man die elementaren Teile, aus denen die Nachkommen-Maschine bestehen soll, so komplex macht, daß das Problem der Replikation zu einer Trivialität würde.[262] Zum Beispiel stellten Teilnehmer an einer Studie der NASA zur maschinellen Replikation [2] fest, daß ein Roboter, der nur eine Sicherung in einen anderen, ähnlichen Roboter zu stecken hätte, um ein Duplikat seiner selbst zu machen, die Selbst-Replikation sehr einfach fände. Ähnlicherweise könnte sich ein Fall-Domino-Automat ohne weiteres aus einem Substrat selbst replizieren, das aus einer Menge ecken-positionierter Dominos bestände [263] - manchmal wird das "triviale Selbst-Reproduktion" [264]*** [354-357] genannt - und Feuer**** kann ebenso als eine simple selbst-replikante Entität aufgefaßt werden [264]. Das Domino-Beispiel kann als mechanische Analogie zur Autokatalyse betrachtet werden (Abschnitt 4.1.6), eine andere simple Form der Selbst-Replikation. Und Stewart [265] hat vorgeschlagen, daß "in der Umwelt von Photokopierern ein Brief [eine Textseite] eine selbst-replizierende Maschine ist."*****

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*Auf der Grundlage von Furley's Übersetzung [266] von Epikurs "Brief an Herodot", faßt Kenyon [267] Epikurs Argument wie folgt zusammen: "Die Unmöglichkeit, eine unendliche Sequenz von Teilebetrachtungen zu vollenden, ist die Begründung zur Zurückweisung infiniter Teilbarkeit... (a) Ein ganzes, endliches Objekt verstehen wir klar. (b) Um ein ganzes Objekt zu verstehen, müssen wir seine Teile verstehen. (c) Falls seine Teile von unendlicher Anzahl sind, dann können wir den Prozeß des Verstehens jedes Teils nicht vollenden. (d) Deshalb können wir seine Teile nicht verstehen. (c) Deshalb können wir das ganze Objekt nicht verstehen."

** Bei der Begegnung mit der vollautomatischen Roboterfabrik auf dem fiktiven Planeten Geonosis in "Star Wars, Episode II", ruft der redselige goldene humanoide Roboter C3P0 aus: "Was ist das? Maschinen, die Maschinen machen? Wie pervers!"

*** Zum Beispiel: 1973 argumentierte Herman [357], daß "die Existenz eines selbst-reproduzierenden, universalen Computer-Konstrukteurs in sich selbst nicht relevant ist für das Problem biologischer und maschineller Selbst-Reproduktion. Es gibt die Notwendigkeit für neue mathematische Bedingungen, um nicht-triviale Selbst-Reproduktion zu sichern."

**** Es ist vorgeschlagen worden, daß der Geburt von supergigantischen Sternen in riesigen molekularen Gaswolken ähnliche "replikative" Prozesse folgen könnten, mit Strahlung von frühen Sternen, welche die Kompression benachbarter Wolkenmaterie auslösten, mit dem Ergebnis einer ersten Frucht von Sternen, die eine zweite Frucht im Nachbargebiet repliziert und so weiter bis die Wolke nichts mehr von ihrer Materie enthält. [268]

***** Für Situationen wie solchen, wo ein Papierbrief als Replikator in einem Raum voller Photokopierer angesehen wird, bemerkt Bryant Adams [269], daß "ein Papier mit einem $50 Coupon ein besserer Replikator sein könnte als eines mit uninteressanten Informationen, da es mehr Hilfe seitens seiner Umwelt hervor riefe, trotz seiner eigenen Untätigkeit."

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Reproduktion gegen Replikation. Sipper [200, 2430] macht eine klare Unterscheidung zwischen den zwei Ausdrücken "Reproduktion" und "Replikation", die oft als synonym betrachtet werden und manchmal austauschbar benutzt werden. [262] Nach Sipper ist "Reproduktion" ein phylogenetischer (evolutionärer) Prozeß, der genetische Operatoren wie Kreuzung und Mutation beinhaltet, und somit der Evolution ultimative Aufwärtsbewegung zur Vielfalt gibt. [2431] Reproduktion ist fast synonym mit Luisi's einfachster Definition [270] von Leben: "ein selbst-erhaltendes chemisches System, das der Darwinschen Evolution unterworfen ist." Evolution und Mutation sind Charakteristiken biologischer Systeme und sind in mechanischen molekularen Montagen höchst unerwünscht [271], weshalb maschinelle "Reproduktion" in diesem Buch nicht extensiv behandelt wird. Im Gegenteil kann maschinelle "Replikation" ein vollkommen geplanter, rein deterministischer Prozeß sein, der keinerlei Zufalls- oder Genetik-Operatoren enthält und so in einem exakten physikalischen oder funktionalen, entworfenen Duplikat einer Elternentität resultiert. Höchst einfach gesagt* ist Selbst-Replikation der Prozeß, durch den ein Objekt oder eine Struktur  eine Kopie von sich selbst herstellt. Andere, einschließlich Sanchez et al [2432] und Adams und Lipson [272] sehen ebenfalls eine klare Unterscheidung zwischen Replikation und Reproduktion: "Replikation strebt nach der Kopie eines gesamten Systems ohne Fehler, während Reproduktion einen Entwicklungsprozeß beinhaltet, der Abweichungen und Unterschiede zuläßt."[272] Im Kontext chemischer selbst-replikativer Systeme bemerken Paul und Joyce [1372]. "Selbst-Replikation allein genügt nicht für das Leben, es sei denn es erlaubt die Möglichkeit vererbbarer Mutationen." Vom Standpunkt der Sicherheit einer neuen Technologie können künstliche Replikatoren "vererbar sicher" gemacht werden (Abschnitt 5.11), aber die meisten künstlichen Reproduzenten möglicherweise nicht (Abschnitt 5.1.9(L)).

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* Die Bemühungen, Replikation in gesetzlich vorgeschriebener klarer Typologie zu definieren, während der Patentierung der "Zyvex exponential assembly" [273] (Bemühungen, an denen Merkle und Freitas im Frühjahr 2000 beteiligt waren), endeten in einer Explosion von Ansprüchen auf zahlreiche Mechanismen, Alternativen und Ausnahmen.

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Diese Unterscheidung begann offensichtlich mit von Neumann ([3], p. 86): "Eine der Schwierigkeiten bei der Definition dessen, was jemand meint mit Selbst-Reproduktion, liegt darin, daß gewisse Organisationen, solche wie wachsende Kristalle, selbst-reproduktiv sind gemäß einer beliebigen naiven Definition von Selbst-Reproduktion und trotzdem will niemand ihnen das Verdienst zugestehen, selbst-reproduktiv zu sein. Ein Weg um diese Schwierigkeit herum ist, zu sagen, daß Selbst-Reproduktion ebenso die Fähigkeit einschließt, vererbbaren Mutationen zu unterliegen, wie die Fähigkeit, einen weiteren Organismus herzustellen, der wie das Original ist [d.h. eine Kopie zu machen]." Die Fähigkeit, eine lebensfähige Kopie herzustellen, aber keinerlei vererbbaren Mutationen zu unterliegen, allein ergibt deshalb noch keine Selbst-Reproduktion, sondern nur Selbst-Replikation. Selbst-Replikation repräsentiert folglich eine begrenzte, eingeschränkte, sicherere Form des eher allgemeinen Konzepts von Selbst-Reproduktion - Replikatoren können, ungleich Reproduzenten, unfähig dazu sein, irgendwelche signifikanten Variationen zu erwerben, oder, falls Variation erworben wird, nicht-funktional werden.

Szathmary und Smith [2415] bemerken, daß "ganze Genome, symbiotische Organellen, Zellen innerhalb von Organismen und sexuelle Organismen innerhalb von Gesellschaften sicherlich immer Vehikel sind, aber selten Replikatoren. Ihre Struktur wird gewöhnlich nicht durch Kopieren übertragen... Vorhandene Organismen sind keine Replikatoren: sie reproduzieren sich nicht durch Kopieren. Statt dessen enthalten sie DNA, die kopiert wird, und das wirkt als ein Befehlssatz von Vorschriften für die Entwicklung des Organismus. Daheraus benötigt Reproduktion beides, Kopieren und Entwicklung." George Dyson [274] stimmt zu: "Biologische Organismen, sogar einzellige Organismen, replizieren sich nicht einfach selbst; sie beherbergen die Replikation genetischer Sequenzen, die dabei helfen, eine annähernde Ähnlichkeit ihrer selbst zu reproduzieren."

Für den Rest dieses Buchs werden wir uns vornehmlich auf die Entitäten konzentrieren, die zur "Replikation" fähig sind und nicht auf "Reproduktion", wie hierin definiert. Sipper [200, 2430] und Dawkins [275] folgend, definieren wir "Replikator" höchst simpel als eine Entität, die eine Kopie ihrer selbst verursachen kann. Diese Kopie darf eine extrem ähnliche Kopie ihrer selbst sein (Abb. 1.3), obwohl offensichtlich keine exakte Kopie auf dem Quantum-Level von Wiedergabetreue. [276]

Unsere Erörterung über Maschinen-Replikation in diesem Buch überblickt kurz die Grundlagen klassischer Maschinen-Replikations-Theorie (Kapitel 2), beschreibt dann spezifische Vorschläge und Verwirklichungen makroskalierter kinematischer Maschinen-Replikatoren (Kapitel 3) und spezifische Vorschläge, Verwirklichungen und natürlich vorkommende Instanzen auf mikroskopischer Ebene oder molekulare kinematische Maschinen-Replikatoren (Kapitel 4). Wir schließen diese Erörterung mit einer kurzen Zusammenfassung ausgewählter Themen und Probleme innerhalb der Replikations-Theorie, einschließlich Mindestmaß der Replikatoren-Größe und -Geschwindigkeit, Endmontagentechnik, enorme parallele Herstellung, die exponentiale Mathematik der Replikation und, höchst wichtig, einem allumfassenden Überblick über den Design-Raum kinematischer Maschinen-Replikatoren, der hier zum ersten Mal präsentiert wird (Kapitel 5). Das Buch endet mit ein paar Gedanken über die Motivation zu Design-Studien, um molekular-skalierte Maschinen-Replikatoren zu entwickeln, einschließlich molekularer "assembler" und Nanofabriken (Kapitel 6).

Copyright © 2004 Robert A. Freitas Jr., Ralph C. Merkle. All rights reserved. International Copyright secured.

Übersetzt von Roland R. Noetzelmann 2006 aus dem Amerikanischen

Die Autoren geben keine Erlaubnis, das übersetzte Material weiter zu verwenden, auch nicht für eine Übersetzung aus dem Deutschen in andere Sprachen. Erlaubnis hierfür kann nur direkt von den Autoren selbst erhalten werden – ein Kontakt mit den Autoren ist nur in englischer Sprache möglich - und zwar hier: www.rfreitas.com

Das Buch kann hier als Hardcover erworben werden: www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/1570596905

Die Originalversion findet man hier: www.MolecularAssembler.com/KSRM/1.htm

Die offizielle englischsprachige Online-Ressource für das Buch ist hier: www.MolecularAssembler.com/KSRM.htm

Ich danke den beiden Autoren für ihre freundliche Erlaubnis, ihr Material auf meiner Website verwenden zu dürfen.


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