文章导读

计算模型在生物世界中的适用性是一个活跃的争论话题。为了生物医学或生物工程而重塑生命系统所做出的努力需要在多个尺度上预测和控制它们的功能。由于多种原因，这具有挑战性，其中之一是生命系统同时在同一地点执行多种功能。我们将其称为“多重计算”——同一基板同时计算不同事物并使这些计算结果可供不同观察者使用的能力。这种能力是生物成为一种计算机的重要方式，但不是我们熟悉的、线性的、确定性的那种；相反，正如快速增长的物理计算文献中所报道的那样，生物在其计算材料的广义上是计算机。为了加深我们对生命如何执行多重计算以及如何说服生命改变其中一个或多个功能的理解，我们可以首先创建多重计算技术并学习如何改变其功能。在这里，我们回顾了生物和技术多重计算的例子，并提出了这样的想法：同一硬件上不同功能的重载是一个重要的设计原则，有助于理解和构建进化和设计的系统。学习破解现有的多重计算基板，以及开发和设计新的基板，将对再生医学、机器人技术和计算机工程产生巨大影响。

研究内容

01.当前的辩论：消解二分法思维

每当特定领域的技术进步开始放缓时，研究人员常常会向大自然寻求新的灵感。遵循这一传统，将更多计算能力装入微芯片中的难度越来越大，这挑战我们通过考虑如何将计算嵌入到生命系统中来寻求新的前进道路。有机体和机器如何计算的比较需要这种新的途径来将有机体视为一种机器；否则，无法进行比较。关于生物体如何或是否是机器的争论由来已久，并且近年来变得更加激烈，因为各个学科不仅将生命与机器进行比较，而且试图将生命与机器融合起来。

消除这些区别的好处是，跨基材的共性和基本设计原则开始在各种规模的进化和设计结构中出现。在这里，我们深入研究一个新兴原理：多重计算，它将形式、功能、控制、解释和观察者的角色等引人入胜的问题置于首要和中心位置。

02.生物超载：多重计算

分析自然系统以确定它们是否或如何执行多重计算特别具有挑战性，因为大多数分析方法都是还原论：它们“还原”为表征在一组情况下、某一时间在一个地点出现的一种现象。综合也很困难：迄今为止，多重计算技术似乎抵制传统的工程设计原则。一个基本问题是典型的人类设计受到高度限制，因此为优化一项功能而进行的任何更改通常会干扰另一项功能。尽管人类很难手动设计多重计算技术，但事实证明人工智能方法可以做到这一点，至少在一个领域。我们最近应用了一种进化算法 (一种人工智能搜索方法) 来自动设计一种可进行多重计算的粒状超材料。它通过在输入端组合不同频率的振动，并在同一地点、同一时间、不同频率提供不同的计算来实现这一点。

03.概念过渡

为了开发这样的工具，我们需要克服人类的认知偏见，并抵制以让人感到舒适的方式将现象分开的诱惑。一种方法是寻找特别非直观的现象，这些现象与我们尝试的类别相悖。更好的办法是寻求梯度，沿着梯度，我们可以从现象的“明显”近似转向越来越“不明显”但更准确的现实反映。

结论

生物形式和功能之间不存在一对一的映射：跨进化实例的生物形式和功能的高度保守性实现了一种多重可实现性。与此同时，生物组件在多重计算方面严重超载。事实上，它们的能力、可塑性和自主性可能会实现一种二阶多重计算，其中各种身体组件试图模拟彼此的计算行为 (实际上充当观察者) 并根据其预期奖励采取行动。因此，现代计算机工程提供的隐喻比以前的 (线性和绝对) 计算框架更适合理解和预测生命。生物系统不仅是一种计算机 (极其强大的计算机)，而且是令人惊叹的多重计算设备，其深度尚未通过技术实现。从这个意义上说，生物系统确实与今天的计算机不同，尽管未来构建深度、多尺度、高可塑性合成设备的努力没有理由不能利用生物多重计算的原理。我们观点的一个关键含义是，关于生命或非生命机器可以做什么的笼统声明是毫无价值的：我们肯定会对只有通过制定和测试假设才能实现的结果感到惊讶。很明显，合成的、进化的和混合的系统远远超出了我们预测其适应性行为极限的能力；放弃绝对主义的范畴和客观的计算观点是扩展我们预测能力的第一步。构建和建模一种计算叠加的能力，其中不同的观察者 (科学家、用户、代理本身及其各个组件) 拥有自己的动态环境模型，并相应地优化他们的行为，也将与合成生物工程、生物机器人、智能材料和人工智能的努力相吻合并推进。

原文出自 Biomimetics 期刊：https://www.mdpi.com/2181996

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

Biomimetics 期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。

2023 Impact Factor：3.4

2023 CiteScore：3.5

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Acceptance to Publication：2.9 Days