4、人工形态发生的模型与机制

人工形态发生的模型与机制

1. 背景

1.1 具身计算

具身性被定义为“信息与物理过程的相互作用”。具身计算指的是物理实现直接参与计算过程或其目标的计算。它涵盖了多种计算过程，包括直接利用物理过程实现计算目的的过程、信息表示和计算隐含于系统及其环境物理特性中的过程，以及计算预期效果包含物理系统的生长、组装、发展、转换、重新配置或拆卸的过程。具身计算基于具身认知和具身人工智能的一些见解，并将其扩展到所有计算领域。

常见的计算模型（二进制数字逻辑）与实现它的物理过程相去甚远，这使得计算机设计在一定程度上独立于设备技术。然而，随着进入后摩尔定律计算时代，提高计算密度和速度需要计算过程与物理过程更紧密地结合。一方面要开发新的物理系统和过程，另一方面要开发更接近物理定律的计算模型。

具身计算具有诸多优势，许多计算过程可由物理系统“免费”完成。例如，神经网络常利用基于线性组合和简单S形函数的通用逼近定理，而S形行为是许多物理过程的常见结果，无需额外计算即可获得。负反馈也常源于物理物质的自然降解或耗散，可直接用于具身计算。随机效应在许多物理系统中不可避免，特别是在纳米尺度，可在随机共振和模拟退火等算法中得到有效利用。此外，具身计算还能直接利用物理、化学和生物过程的并发性实现并行计算。

通常，计算系统的结构决定其功能，而在算法组装中，计算过程决定物理结构的组装。在胚胎形态发生中，胚胎的物理结构决定了创造其自身物理结构的计算过程，即结构决定功能，功能创造结构。具身计算系统还具有自然适应性、可重构性、自我修复和自我毁灭等特性。

不过，具身计算也带来了挑战，因为我们习惯在理想化的逻辑世界中编程，而具身计算需要更多关注物理实现及其环境。但具