Om det evolutionära ursprunget för symbolisk kommunikation | vetenskapliga rapporter

Om det evolutionära ursprunget för symbolisk kommunikation | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Utveckling av språk
  • Maskinteknik

Abstrakt

Framväxten av symbolisk kommunikation citeras ofta som ett kritiskt steg i utvecklingen av Homo sapiens , språk och mänsklig nivå kognition. Det är ett allmänt antagande att människor är de enda arterna som har naturliga symboliska kommunikationsscheman, även om en mängd andra arter kan läras att använda symboler. Ursprunget till symbolisk kommunikation är fortfarande ett kontroversiellt öppet problem, dumpt av bristen på fossilrekord. Här demonstrerar vi en obruten evolutionär väg från en befolkning av ursprungligen icke-kommunikativa robotar till den spontana uppkomsten av symbolisk kommunikation. Roboter utvecklas i en simulerad värld och levereras med en enda kommunikationskanal. När deras förmåga att reproducera motiveras av behovet av att hitta en kompis, utvecklar robotar indexiska kommunikationsscheman från ursprungligen icke-kommunikativa populationer i 99% av alla experiment. Vidare utvecklar 9% av befolkningarna ett symboliskt kommunikationsschema som gör det möjligt för par av robotar att utbyta information om två oberoende rumsliga dimensioner över en endimensionell kanal och därmed öka deras chans att reproducera. Dessa resultat antyder att förmågan för symbolisk kommunikation kunde ha uppstått spontant under naturligt urval, utan att kräva kognitiva förinställningar eller förutgående existerande ikoniska kommunikationsscheman som tidigare antagits.

Introduktion

Kommunikation definieras vanligtvis som en händelse förmedlad genom användning av tecken i vilka handlingen av en agent eller agenter (avsändarna) orsakar en reaktion i en eller flera agenter (mottagarna) 1 . Djur kommunicerar med ikoniska eller indexiska signaler för att hänvisa direkt till objekt eller handling 2, även om vissa arter kan läras att använda symboler 3 . Denna typ av kommunikation kännetecknas av en en-till-en-mappning mellan signalen och objektet eller handlingen. Ikonisk kommunikation förmedlas av tecken (ikoner) som har en likhet med formen av objekt och är omedelbart igenkännliga (t.ex. när en apa öppnar munnen och bär sina tänder för att hota eller när två fläckar på en fjärils vingar liknar ögonen på ett rovdjur) medan indexiska kommunikationstecken (index) endast är fysiskt eller temporärt korrelerade med objekt 2, 4 . Till exempel, för att varna andra medlemmar i deras trupp om hotande fara, har vervet apor utvecklat larmsamtal direkt kopplade till specifika rovdjur eller, kanske mer troligt, till specifika flyktiga svar 5 . Vervet apa larmsamtal kvalificeras som index, eftersom de inte har någon fysisk likhet med de rovdjur som de hänvisar till. Om emellertid larmet för en örn lät som (dvs fysiskt liknade) en örns kall, skulle det betecknas som ikoniskt.

Däremot verkar människor vara den enda arten som har utvecklat ett komplext system av tecken som hänger ihop med varandra. Denna form av kommunikation - symbolisk kommunikation - är baserad på tecken-tecken-relationer snarare än tecken-objekt-förhållandena för ikonisk eller indexisk kommunikation. Symbolisk kommunikation bygger på en-till-många mappningar mellan ett tecken eller symbol och det som det kan hänvisa till. Betydelsen av symboler beror på ett kulturellt sammanhang som enats om. Om man till exempel skriver ”skallig örn” vet vi att vi talar om en rovfågel. Om man emellertid skriver ”örnögon”, pratar vi istället om god syn. Således uppstår betydelse från tecken-teckenförhållandena mellan "örn" och de andra tecknen ("kala", "" ögon ") och inte från något särskilt tecken.

Övergången från indexisk till symbolisk kommunikation är därför en viktig evolutionär förändring eftersom den kan signalera ursprunget till språk 6, 7, 8 och symboliskt tanke 2, 8, 9 . Denna övergång har inte observerats i naturen och har inte reproducerats i en konstgjord evolutionär miljö, varför ursprunget till symbolisk kommunikation är ett öppet problem 10 . Tidigare verk 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 har undersökt utvecklingen av kommunikation mellan robotar med hjälp av evolutionära algoritmer. Sådana tillvägagångssätt använder diskreta generationer, där avkomma ersätter hela föräldrarpopulationen och därmed tar bort kravet på kontinuitet i ett utvecklande kommunikationsschema mellan generationerna. Vidare utnyttjar dessa tillvägagångssätt experimentdefinierade objektiva funktioner (som används för att utvärdera reproduktionsförmågan hos individer eller grupper av medel) som kan begränsa öppenheten i utvecklingsprocessen 20 och kan införa betydande nivåer av experimentell partiskhet 21 . Dessa experiment har producerat en mängd komplexa kommunikationsscheman; ingen har emellertid visat uppkomsten av symbolisk kommunikation.

Digitala simuleringsexperiment har också använts för att utforska uppkomsten av kommunikation. I en simulerad värld liknande den som presenteras här utvecklade agenter indexisk kommunikation med hjälp av en 3-bitars kanal. Synliga men orörliga kvinnor använde dessa scheman för att rikta blinda men rörliga män i närheten till deras plats på ett tvådimensionellt rutnät 22 . Avida 23, en mjukvaruplattform för forskning om digitala organismer, har också använts för att studera uppkomsten av experimentdefinierade kommunikationsscheman bland populationer av självreplikerande datorprogram 24 .

Simulera uppkomsten av kommunikation

Vår evolutionära miljö, kallad NoiseWorld , illustreras i fig. 1. Agenterna som bor i denna diskreta värld representeras av evoluerbara matematiska modeller 25 (EMM) i form av ett system med expanderbara skillnadsekvationer som beskriver agentens tillstånd, dess motorfunktion och dess kommunikationsutgång. Användningen av EMM: er möjliggör en direkt analys av robotens beteende genom att undersöka dess reglerande ekvationer.

Roboter finns i en 2D-värld och kan känna sina egna x- och y- platser. De kan inte känna någon information om sina grannar. Roboter kan producera icke-riktningsljud ω ut och kan upptäcka ljud som produceras av deras närmaste granne ω in . Roboter lever på en av öarna i världen, och när två robotar möts producerar de automatiskt ett avkomma. En slumpmässigt vald robot dör när en ny avkomrobot föds. Öarna är organiserade i en toroid. Avkomma robotar föds ibland på en av de fyra angränsande öarna.

Bild i full storlek

Strukturen för EMM ges med riktade trädgrafer (se kompletterande figur S1), som fungerar som agentens genom, och utvecklas med hjälp av reglerna för genetisk programmering 25, 26, 27 . Agentgenom utsätts för arv och mutation. Men ingen objektiv fitnessfunktion tillhandahålls. Två medel reproducerar sig sexuellt när de är i närheten (se Metoder och tilläggsfigur S2). Således utvecklas NoiseWorld asynkront. Urvalstrycket uppstår av det faktum att högre reproduktionshastigheter leder till lägre genomsnittliga medellivslängder eftersom varje födelse åtföljs av en robots slumpmässiga död. Denna minskning i genomsnittlig livslängd tvingar mindre reproduktiva genom från befolkningen. Det finns inga objektiva funktioner, inga diskreta generationer och inget tvungen gruppval.

Varje robot förses med en endimensionell kommunikationskanal över vilken den avger en signal i riktning och tar emot en signal från sin närmaste granne. Relativa robotpositioner beräknas om efter varje tidsperiod, vilket säkerställer att en mottagen signal alltid anländer från robotens nuvarande granne. Roboter kan inte upptäcka förändringar i identiteten på sin närmaste granne. Dessutom har en tredje robot potential att överhöra en del av kommunikationen mellan två andra robotar: I situationen där två robotar delar en närmaste granne kommer båda robotarna att få signaler från sin gemensamma granne, men den gemensamma grannen kommer bara att få signalen från den robot som är närmast den. Därför kan den närmaste roboten och den gemensamma närmaste grannen signalera till varandra, medan den tredje roboten bara kan "överhöra" hälften av samtalet mellan de andra två robotarna.

Roboter kan inte bestämma riktningen från vilken en signal tas emot och det finns inte heller någon variation i intensiteten hos en signal som annars kan avslöja avsändarens relativa avstånd. All information som tas ut av mottagaren måste ligga i signalens innehåll och inte från information som är inneboende i mediet. Medan robotarna är utrustade med flera mekaniska förinställningar - förutom tillgängligheten av en kommunikationskanal, vet robotarna deras plats och har motorfunktion - ingen kognitiv förinställning tillhandahålls förut .

Eftersom robotar delar det gemensamma målet att reproducera finns det ingen intressekonflikt närvarande och därmed inget urvalstryck för vilseledande kommunikation. Kommunikationsscheman som har utvecklats utan ett tryck för bedrägeri har observerats i naturen. Exempelvis finns det ingen intressekonflikt under parningsskärmarna som blåhåriga bråkar använder för att koordinera den samtidiga frigöringen av spel 28 .

Resultat

Figur 2 visar en provhistorik för en simuleringskörning (se kompletterande figur S3 för andra). Befolkningens “snapshots” togs en gång per era (definieras som 100 000 tidssteg). När simuleringen börjar finns det ingen kommunikation på ön eftersom en aktiverad kommunikationskanal inte ger några reproduktiva fördelar (se fig. 2c). Vid en tidsålder 48, till exempel ω in, visas variabeln som innehåller en grannas utsignal ingenstans i en agents styrande ekvationer (se Kompletterande ekvationer S1 – S3). Roboter kan inte svara på inkommande signaler och reproduktionen sker därmed bara av en slump. Allteftersom tiden fortskrider förbättras befolkningens reproduktionsframgång med den första stegvisa ökningen som inträffar ungefär era 50. Vid denna tidpunkt framträder den första kommunikationen; statistiskt sett, mätt med Pearson-korrelationskoefficienten, har robotkommunikationsutgångssignalerna ( ω ut ) visat sig vara mycket korrelerade med deras latitud ( y ) såsom visas i fig. 2d. För ett exempelagent i era 313 (se fig. 2a) är faktiskt utsignalekvationen (se kompletterande ekvationer S4 och S5)

Den övre ramen för dessa beteendeprover visar den bana som de två robotarna tar, medan den undre ramen visar sina kommunikationsutgångar ω ut över tiden. Auditiv tolkning av ω ut- värden finns i tilläggsljud S1 – S2. En era är 100 000 tidssteg. ( a ) I era 313 har indexisk kommunikation kommit fram. Man kan direkt bestämma en robots absoluta y- position vid ett givet tidssteg utifrån dess ω ut- värde ( y = ω ut /4.36, se text). ( b ) Vid era 937 har symbolisk kommunikation uppstått. Robotpositioninformation kan inte längre bestämmas genom att observera enstaka ω out- värden. Istället avslöjas relativa robotpositioner genom relationer mellan tecken och tecken (dvs genom att observera båda agenternas ω out- värden, se text). ( c ) Reproduktionshastigheter visas med (grön) och utan (grå) kommunikation aktiverad. ( d ) Även visas storleken på Pearson-produktmomentets korrelationskoefficienter mellan positionen ( y i rött, x i blått) och ω av varje eras mest reproduktiva framgångsrika agent.

Bild i full storlek

uppvisar en direkt en-till-en-relation. Detta indikerar ett indexiskt kommunikationsschema. Precis som olika vervet apa larmsamtal indikerar närvaron av specifika rovdjur, visar robotens values out- värden specifika robot y- positioner. Vid era 600 har reproduktionshastigheterna hoppat till en ny platå, medan korrelationen mellan utsignalen och robotens position har minskat brant. Agentgenom avslöjar att utsignalerna involverar både latitud och longitud men att det inte längre finns en en-mot-en-relation mellan signal och robotplats. Till exempel, vid eran 937 (se fig. 2b) är en typisk utgångssignalekvation (se kompletterande ekvationer S6 – S7)

Ett givet värde på ω ut motsvarar flera ( x , y ) platser. Det är en en-till-många-relation. Lika viktigt visas en ingångskommunikationssignal ω in i ekvationen: utgången modifieras av ingången, vilket indikerar en dialog. Denna dialog löser tvetydigheten i signalens betydelse, vilket innebär ett tecken-teckenförhållande i motsats till det tecken-objekt-förhållandet som tydligt tidigare i utvecklingsprocessen. En kvalitativ övergång i kommunikationssystemet har tydligt inträffat. Det indexiska kommunikationssättet har utvecklats till en rudimentär form av symbolisk kommunikation.

En typisk ekvation som bestämmer orienteringen för robotarna som använder indexiska symboler är

Ekvationerna som bestämmer orienteringen för de symboliskt kommunicerande robotarna är strukturellt lika:

Denna strukturella likhet mellan dessa två arter antyder att komplexifieringen av signalutgångarna mot symbolisk kommunikation kunde ge reproduktiva fördelar genom att utnyttja den minimala befintliga kognitiva maskiner som behövs för indexisk kommunikation. Sannolikheten för att dessa förändringar inträffar under en enda reproduktiv händelse är liten med tanke på simuleringens mutationsgrader (se Metoder). Det är mycket mer troligt att denna övergång inträffade via en serie mutationer och / eller sexuella rekombinationshändelser som kunde producera reproduktivt livskraftiga kortvariga kommunikationsscheman som utnyttjade tidigare befintliga lyssningsfunktioner. Framtida steg-för-steg-dokumentation av denna övergång kommer att kräva ögonblicksbilder tagna med en frekvens som är flera storleksordningar högre än vad som användes för att fånga upp de data som presenteras här.

Ur ett kommunikationsperspektiv avslöjar dialogen mellan två robotar från era 937 hur de kan förhandla fram ett möte. De löser först sin skillnad i latitud ( y ). När en robot (avsändarens) utsignal är större än dess grann, ω ut > ω in från avsändarens perspektiv, kommunicerar det att avsändaren är norr om mottagaren (se fig. 2b och 3a). Den resulterande åtgärden är för avsändaren att flytta söderut och mottagaren att flytta norrut. När de två robotarna konvergerar på en gemensam breddgrad börjar signalernas storlek öka. Mindre värden på x översätter till snabbare ökningar och större kommunikationsutgångssignaler tvingar mottagaren tillbaka mot mindre utgångar, och "beräknar" därmed relativa robot x- positioner (Fig. 3b). Efter denna "diskussion" indikerar större utsignaler att avsändaren är "väster" om mottagaren.

( a ) Angränsande robotar bestämmer relativa y- positioner via deras ω ut / in (dvs dialog) värden som svänger mellan de två separata regionerna som visas här. Ω ut / in av roboten med det högre y- värdet kommer att sätta sig i den vänstra regionen (vilket resulterar i en högre ω ut ), medan den andra sätter sig i det högra området (vilket resulterar i en lägre ω ut ), och därmed "bestämmer" relativt norr / söder robot position. ( b ) När de två robotarna närmar sig en gemensam y- position (den icke-linjära delen av dessa tomter) kommer roboten med den mindre x- positionen att se storleken på dess ω ut öka snabbare än grannens, vilket i sin tur tvingar grannens ω ut tillbaka mot linjärt beteende och därmed "bestämma" deras relativa öst / västläge.

Bild i full storlek

De betydelser som sluts av en robot i den andras signaler kommer från tecken-teckenförhållanden. Om vi ​​till exempel bara observerar små kommunikationsutgångssignaler från en enda robot skulle vi inte kunna urskilja om detta medel indikerade norr, söder eller öster (detta är analogt med "örn" -exemplet som ges ovan, där ett ord / tecken räcker inte för att lösa betydelsen). Eftersom tredje parter kan höra hälften av en dialog mellan två robotar, finns det ett tryck för att förhindra att avlyssnare drar ut platsen för en potentiell kompis från en sida av samtalet, eftersom de annars kan nå denna kompis först. Detta tryck kan spela en roll i uppkomsten av dessa symboliska kommunikationsscheman där mening inte kan extraheras från en enda robots signaler, även om ytterligare experiment krävs för att bekräfta detta.

Dessa tecken-teckenförhållanden är abstrakta; det vill säga vad de beskriver inte kan avkännas direkt av robotarna (i detta fall kan de inte direkt avkänna relativ position). Dessutom är dessa förhållanden godtyckliga; det vill säga, alternativa betydelser kan och har uppkommit från andra evolutionära körningar. Exemplet ovan producerar en främst ”nord / syd” rörelse och återspeglas i de kommunikationsmönster som utvecklats; andra populationer har emellertid utvecklats för att använda ett inverterat ”söder / norr” kommunikationsschema eller till och med ett främst ”öst / väst” -system (se fig. 4, kompletterande figurer S4 – S8 och kompletterande ekvationer S8 – S54).

Agenter levereras med sin positionsinformation via en overhead webbkamera och färgdetekteringsprogramvara. Utvecklade agenter körs på en bärbar dator (visas inte) som hanterar kommunikation mellan agenter och skickar instruktioner till robotarna via Bluetooth. Två hårdvaruexperiment visas, med bilder tagna med 5 sekunders intervall som visas i den första raden, och motsvarande interrobotkommunikationsdata visas under. Auditiv tolkning av ω ut- värden finns i tilläggsljud S3 – S4.

Bild i full storlek

Diskussion

Dessa resultat ger ett nytt fönster på en potentiell väg för framväxten och utvecklingen av symbolisk kommunikation (se kompletterande video S2), ett som inte kräver förutgående befintliga hjärnor med en hög grad av komplexitet som tidigare antagits 29 . De visar dessutom en obruten evolutionär väg till enkel symbolisk kommunikation via indexisk kommunikation utan behovet av ikonisk kommunikation, vilket tidigare har föreslagits som ett möjligt evolutionärt steg för symbolisk kommunikation 30 . Enkla indexerade kommunikationsstrategier som liknar den som beskrivits ovan kom fram i 99 av 100 simuleringskörningar där kommunikationskanalen var aktiverad (10 ytterligare körningar utfördes med kommunikationskanalen inaktiverad). Nio av dessa populationer utvecklades ytterligare och utvecklade en rudimentär form av symbolisk kommunikation, vilket indikeras av de tecken-teckenförhållanden som dessa kommunikationsscheman bygger på 2, 4 (se tabell 1 och kompletterande tabell S1). Verkligheten är naturligtvis mycket mer komplex än dessa simuleringar, eftersom organismer i naturen vanligtvis inte vet deras absoluta koordinater och naturliga kommunikationssystem innehåller inneboende fysisk information. Dessutom lärs mänsklig symbolisk kommunikation till stor del, medan här beteenden, inklusive kommunikationsscheman, är genetiskt kodade. Därför, även om dessa resultat visar en möjlig väg till symbolisk kommunikation via indexisk kommunikation och utan väsentlig förutgående kognitiv komplexitet, är detta inte nödvändigtvis den evolutionära vägen som mänsklig kommunikation tog, och detta bevisar inte heller att symbolisk kommunikation inte kan komma från ikonisk kommunikation eller kognitiva förinställningar. Icke desto mindre visar dessa resultat att enkel symbolisk kommunikation kan uppstå spontant från en befolkning av ursprungligen icke-kommunikativa förkroppsliga agenter på en relativt kort evolutionär tidsperiod med tanke på en kommunikationskanal med begränsad kapacitet, ingen intressekonflikt och ett urvalstryck för samarbete. De hörda signalernas roll i utformningen av dessa symboliska kommunikationsscheman och de potentiella effekterna av vilseledande signaler på den evolutionära processen överlåts till framtida arbete.

Full storlek bord

Med tanke på den kognitiva enkelheten hos dessa symboliskt kommunicerande robotar kan man inte undra varför människor är de enda arterna som har utvecklat symbolisk kommunikation i naturen. En möjlig förklaring är att den kombinerade dimensionaliteten hos både verbala och icke verbala djurkommunikationsmedier, liksom deras inneboende information (såsom riktning) ger tillräcklig kapacitet för överföring av information för djurarternas kommunikationsbehov. Vi kan också spekulera i att det kanske finns liknande symboliska system i andra arter men att vi ännu inte har upptäckt dem. Det kan emellertid kräva en kombination av andra specifikt mänskliga färdigheter som möjliggör kulturell evolution för ett så enkelt system att höjas till den typ av komplexa kommunikationssystem vi observerar på mänskligt språk.

metoder

Evolvabla matematiska modeller

De evolverbara matematiska modellerna (EMM) som används för att representera medlen definieras av ett system med ekvationer av formen

där v t är agentens tillståndsvektor vid tidpunkten t , v t + Δ t = v t + Δ v t + Δ t vid nästa tidpunkt, ϑ t är motorutgången som styr riktningen för robotens rörelse relativt en given referensriktning och ω t in / ut är robotens ingång (från närmaste granne) och utkommunikationssignaler. Varje tillståndsvektor inkluderar koordinaterna x t , y t för roboten. Dessa ekvationer är kodade i en uppsättning riktade trädgrafer som fungerar som agentens genom (se kompletterande figur S1). Ekvationsträdens terminalnoder tar värdena på en av variablerna (variabla blad) eller en numerisk konstant (konstant blad) medan icke-terminala (gren) noder utför en av de fyra grundläggande aritmetiska operationerna (tillägg, subtraktion, multiplikation, delning) . Vi använder termen "evolvbar matematisk modell" för att hänvisa till den genomiska representationen av medel genom ekvationsträd som utvecklats genom genetisk programmering.

NoiseWorld

När två robotar kommer i närheten av varandra (inom ett förutbestämt ”reproduktionsavstånd” ρ , här ρ = 0.139), föds ett avkomma genom sexuell reproduktion med hjälp av genetisk programmering. Under reproduktion utsätts avkommor genom olika genetiska operatörer. För varje ekvation som de två föräldrarna har gemensamt (ekvationerna har unika identifieringstaggar baserade på när de först visades via mutation i simuleringen) kommer antingen ekvationen från förälder 1 eller förälder 2 att gå till avkomman. Vilken ekvation som ärvs beslutas slumpmässigt för varje gemensam ekvation. Ett avkomma måste få minst en ekvation från varje förälder, så sexuell reproduktion verkställs på ekvationsnivån. Om ett avkomma får en ekvation som innehåller en variabel modifierad av en annan ekvation som inte är gemensam för båda föräldrarna kommer arvet också att erva den ekvationen (se kompletterande figur S2 för flera exempel).

En mutation kommer att inträffa i ett ekvationsträd med en sannolikhet för p m ; här p = 0, 025 ß / n , där n är antalet träd i genomet och ß beräknas oberoende på varje ö varje 10 000 tidssteg som 500 / b, varvid b är antalet födda på ön under de tidigare 10 000 tidsstegen. Parametern ß mättas vid 100 men har inget minimum; det används i ett försök att hålla antalet mutationer per tidsenhet konstant.

En trädmutation är en punkt- eller undertrådmutation med lika sannolikhet. En punktmutation har formen av en störning av ett konstant blad (om det finns något i trädet) eller mutationen av en annan nod med lika sannolikhet. En störning av en konstant dras från den guassiska fördelningen N ( μ , σ ); här, μ = 0 och σ = 0, 5. En mutation till en grenod tilldelar den till en annan aritmetisk operation och en mutation till ett variabelt blad ändrar det till en annan variabel eller en ny konstant, k ; här, k ∈ [−5, 5]. En subtrutmutation ersätter en slumpmässigt vald nod med en slumpmässigt genererad undertråd (genereras via den rampade halv-halvmetoden, se nedan). Det finns 5% chans att den slumpmässigt genererade undertråden ersätter hela det ursprungliga trädet, med det ursprungliga trädet sedan skarvad på en slumpmässigt vald nod på denna nya undertråd. En genetisk skarvoperation inträffar med en sannolikhet p m varigenom en slumpvis vald nod är ersatt med en slumpmässigt vald undertråd från ett föräldergenom.

De ursprungliga förhållandena för tillståndet, v 0, är också utsatta för mutation med sannolikhet p m ; i dessa mutationer förstärks de initiala tillståndsvärdena antingen av en störning som tas från N (0, 0, 25) eller helt ersatt med ett slumpmässigt värde som dras från intervallet [−1, 1] med lika sannolikhet.

Slutligen, för varje träd i ett avkommargenom, finns det en sannolikhet på 0, 5 p m att en ny tillståndsekvation kommer att läggas till avkommets genom, med en hänvisning till motsvarande nya tillståndsvariabel som infogas på en slumpmässigt vald plats på trädet. Ekvationsträdet för den nya variabeln initialiseras på samma sätt som för den ursprungliga populationen (se nedan).

Det finns totalt 100 öar i NoiseWorld , var och en med en stor tvådimensionell expans (−20 < x <20, −20 < y <20). Om en robot når kanten av en ö (vilket endast är möjligt med mycket långa livslängd eftersom robotar initialiseras långt från kanterna på ön och bara kan flytta i genomsnitt 0.0005 enheter per tidssteg, se nedan), faller den effektivt av ö, en död som verkställs vid nästa reproduktionshändelse. Delpopulationerna på varje ö är isolerade med undantag för enstaka migration som inträffar vid födseln (se nedan). Topologiskt är NoiseWorld toroidal där varje ö är omgiven av åtta angränsande öar, fyra delar en "gräns" och fyra delar ett "hörn" på en tvådimensionell grenrör. Varje ö är ympad med 50 medel och varje medel initialiseras med ett slumpmässigt genom genom att använda "ramped half and half" -metoden 27 för att generera träd med ett maximalt djup på 1 eller 2. Ramped half and half är en kombination av två metoder, "full" -metoden och "växa" -metoden. I den "fullständiga" metoden genereras icke-terminala noder slumpmässigt tills det maximala djupet har uppnåtts. På det maximala djupet skapas endast terminalnoder. I metoden "växa", som i "full" -metoden, skapas endast terminalnoder på det maximala djupet. Skillnaden är att innan det maximala djupet uppnås kan slumpmässigt genererade noder vara antingen terminala eller icke-terminala noder, vilket möjliggör ett större intervall av potentiella trädformer. Den ramped halv-och-halv metoden väljer att skapa en slumpmässig undertråd med antingen "full" eller "växa" metoden med lika sannolikhet.

Varje agent har två immutable ekvationer, Δ x t + Δ t = a Δ t cos ϑ t och Δ y t + Δ t = a Δ t sin ϑ t i Δ v t + Δ t , som styr dess rörelse; a dras från N (1, 0, 025) och Δ t = 0, 0005 i måttlösa tidsenheter. Varje robot känner till sin latitud och longitud, x och y , men har ingen direkt information om någon av sina medrobotar. Vinkeln ϑ t mäts relativt antingen ”öst” (+ x riktning) eller ”norr” (+ y- riktning).

Avkommor börjar livet på ett slumpmässigt utvalt läge på föräldrarnas ö (inom en cirkel, här med radie 1.13, centrerad på ursprunget) även om det finns en liten sannolikhet ( p b = 0.001) att den kommer att visas på en gränsande ö (diagonal migreringar är inte tillåtna). Ett minsta avstånd (här reproduktionsavståndet ρ ) till avkommans närmaste granne verkställs. Föräldrar flyttas också till nya slumpmässiga platser på sin ö (på samma sätt som beskrivs ovan för deras avkommor) och initialiseras på nytt. Migration tillåter spridning av gener bland öarna. Annars är robotar begränsade att förbli på sina infödda öar. För att upprätthålla en konstant befolkning, när en födelse inträffar, dör en annan robot slumpmässigt.

Ett nyskapat avkommargenom har 10% chans att bli vald till att genomgå ekvationsminskning. I ett sådant fall tillämpas följande operationer rekursivt över alla agentens ekvationsträd:

  • Subtraktion, tillägg, multiplikation eller delning av två konstanter reduceras till en enda konstant genom att utföra den kodade operationen.

  • Summan av två identiska underträd reduceras till 2 × en enda version av undertråden.

  • Subtraktionen av två identiska underträd reduceras till 0.

  • Multiplikationen av en undertråd med 0 reduceras till 0.

  • Uppdelningen av 0 med ett icke-nollt undertråd reduceras till 0.

Ett agens genom är begränsat till högst 200 noder över alla dess ekvationsträd. Ett avkomma födda med mer än 200 noder dör omedelbart.

Om en eller flera av en agents utgångsvariabler överskrider det minimum eller maximalt representerbara flytpunktsnumret kommer agenten att ha den utgången inställd på ett slumpmässigt flytande punktnummer och kommer att väljas för att dö när nästa födelse inträffar.

Det är värt att notera att vidare utredning och observation av roboternas beteende visar att utvecklingsprocessen utvecklar en enkel kontrollmekanism. Genom att ta igen det utvecklade medlet från eran 937 som vårt exempel (se kompletterande ekvationer S6 – S7) ser vi att den ömsesidiga dynamiken för två identiska medel (1 och 2) har den fasta punkten x 1 = x 2, y 1 = y 2 . Dessutom uppträder denna punkt på ett stabilt sätt. Från en kontrollteoretisk synvinkel ger utvecklingen en stabil styrenhet där målet är att få två agenser till konsensus i position och där ϑ t är styrvariabeln och ω ut / in fungerar som mätvariabel.

Beräkningsförsök

Alla simuleringsexperiment kördes under 48 väggklocktimmar på en dedikerad Linux-server med en Intel Xeon E5540 vid 2, 53 GHz. Varje ö implementeras som en separat process så att algoritmen kan dra full nytta av parallellarkitekturen för Intel Xeon CPU (8 kärnor / 16 trådar). En parallellimplementering av master / slav används, där en "master" -process hanterar synkroniseringen av "slave" -processer (dvs. öarna). Öarna synkroniseras och migranter bytte ut var 10 000 tidspunkter. Öar introducerar inkommande migranter i sina subpopulationer med en hastighet av η = 10 000 migranter per tidssteg (i en slumpmässig ordning). Migrationshändelser behandlas som nyfödda på den mottagande ön, vilket innebär en slumpmässig död på ön vid följande tidpunkt. Även om migration inte är nödvändig för att symbolisk kommunikation ska dyka upp, har den effekten att förbättra sannolikheten för att en körning ska uppnå symbolisk kommunikation, såväl som att minska ackumuleringen av neutrala mutationer i medelgener, vilket således ökar antalet eraser som kan vara simulerad i 48 väggklocktimmar (kompletterande tabell S2).

För att testa hur en ö-ögonblicksbild fungerar med och utan kommunikation aktiverad (dvs, in = 0), samt att samla in data för korrelationsberäkningarna (Fig. 2d och Kompletterande Fig. S3), utfördes en kontrolltestsimulering. Varaktigheten av en kontrolltest är en era (100 000 tidssteg) och de använda genomen är tagna från en ögonblicksbild av en öpopulation. Roboterna placeras initialt slumpmässigt i testvärlden och initialiseras. Om två robotar möter varandra under kontrolltestkörningen (inom avståndet ρ , se ovan), räknas händelsen som en reproduktionshändelse men inget avkom skapas. Istället flyttas de två överordnade robotarna till nya slumpmässiga platser och initialiseras på nytt. Detta förhindrar någon utveckling under kontrollen. Effekterna av födslar och dödsfall simulerades genom att flytta en robot till en ny slumpmässig position och initialisera den med en sannolikhet på 0, 001 per robot per tidssteg.

För korrelationsberäkningar registreras kommunikationsutgångarna och positionsinformationen för det översta reproducerande medlet i ögonblicksbilden under hela testsimuleringen, vilket ger 100 000 uppsättningar av ingångs- / utgångsvärden per test. Pearson produktmomentskorrelationskoefficient r ("korrelation" i fig. 2d och kompletterande fig. S3) beräknades som

där n är antalet sampel ( n = 100 000), v i är ett prov på den aktuella ingångsvariabeln (dvs. x eller y- position),

är medelvärdet för ingångsproven, ωi är ett prov på kommunikationsutgången, och

är medelvärdet för kommunikationsutgångsproven. Om kommunikationsutgången är en konstant, definieras r och dessa punkter utelämnas från fig. 2d och kompletterande fig. S3.

Källkod

Källkoden för datorsimuleringsexperiment som beskrivs i detta arbete är fritt tillgängligt på //github.com/pgrouchy/NoiseWorld.

Embodierade robotagenter

Hårdvaruförsöken i detta arbete utfördes på e-puck-robotar. Två agenter (EMM) kördes synkroniserat på en bärbar dator, med motorhastighetsjusteringar skickades till två e-puck-robotar via Bluetooth.

Robotorientering ϑ och positioner x och y bestämdes med användning av en overhead-webbkamera (640 × 480 upplösning), färgdetekteringsprogramvara och färgade markörer fästade på toppen av robotarna (se fig. 4). Binära bilder som anger platserna för de röda eller blå markörerna skapades från webbkamerabilder med RGB-färgmasker. Blobdetektering utfördes sedan på dessa binära bilder. Pixelvärdena för centroiderna för de två största klosterna användes för att bestämma robotpositionen, varvid den största av de två röda klotterna alltid indikerar en robot, och den större av de två blå klumparna indikerar den andra roboten. Pixelvärden för klumpcentroider skalades med 424 för att ge positionsvärdestoriteter jämförbara med de som medel vanligen skulle se i simulering. Robotens orientering bestämdes genom att ta arktangenten (med funktionen atan2) av skillnaden mellan pixelvärdena för centroiderna för dess två klot / markörer.

Protokollet för robotexperimenten var som följer (kompletterande figur S9):

  1. Ställ in alla agentvariabler på deras initiala värden.

  2. Skaffa agent x- och y- positioner från spårningssystemet.

  3. Utvärdera båda uppsättningarna av agentekvationer under 10 tidstester, med en agents ω i inställning till den andra agentens ω ut från föregående tidssteg. X- och y- ingångsvärdena ändras inte under dessa 10 tidssteg, även om nya brusvärden används vid varje steg; ϑ behandlas som en intern variabel och uppdateras därmed i varje steg.

  4. Beräkna den ackumulerade förväntade rörelsen för varje agent under de senaste 10 tidsstegen. Detta ger en ny förväntad position. Varje robot vrids mot sitt förväntade läge (± π / 16) och ställs in för att köra framåt. Om en robot redan ligger inom ± π / 16 från den förväntade riktningen, vrids den inte. Om robotarna är i rörelse och minst en agent måste vända stoppas båda robotarna. Annars lämnas de att fortsätta framåt i sin nuvarande riktning.

  5. Gå tillbaka till steg 2.

För hårdvaruförsöken som presenterades i denna artikel användes följande EMM för båda medlen:

Detta är det bästa reproducerande medlet från en tidigare orapporterad körning.

Auditiv tolkning av kommunikationsutgångar

Auditiva tolkningar av kommunikationsutgångar (kompletterande ljud S1-S4) genererades med SuperCollider. Alla kommunikationsutgångar konverteras till en frekvens med hjälp av följande ekvation: freq = 14 ( ω ut + 25), med 210 ≤ freq ≤ 490. Värden som faller utanför detta område ställs in på närmaste gränsvärde. I fallet med fig. 2a producerades frekvenser enligt följande: freq = 140 ( ω ut + 25) - 3150. Varje tidstapps ljud (dvs. frekvenstolkningarna av kommunikationsutgången för var och en av de två agenterna som testas) varar i 0, 05 s.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

videoklipp

  1. 1.

    Kompletterande video 1

  2. 2.

    Kompletterande video 2

Ljudfiler

  1. 1.

    Kompletterande video 3

  2. 2.

    Kompletterande video 4

  3. 3.

    Kompletterande video 5

  4. 4.

    Kompletterande video 6

Excel-filer

  1. 1.

    Kompletterande data 1

  2. 2.

    Kompletterande data 2

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.