人工化學

人工化學（Artificial chemistry）是一種近似化學的系統，通常由稱為「分子」的物件所組成，這些物件根據類似化學反應的規則進行互動。人們創造並研究人工化學，是為了理解化學系統的基本特性，包括生命起源前的演化，以及開發化學計算系統。人工化學是電腦科學中的一個領域，其中化學反應——通常是生物化學反應——被進行電腦模擬，從而對演化、自組裝及其他生物化學現象產生深入見解。該領域不使用實際的化學物質，不應與合成化學或計算化學混淆。反之，它使用資訊位元來代表起始分子，並檢視最終產物及其生成過程。該領域起源於人工生命，但已被證明是一種多用途的方法，應用於化學、經濟學、社會學和語言學等多個領域。

正式定義

一般而言，一個人工化學被定義為一個三元組 。在某些情況下，將其定義為一個二元組 便已足夠。

• 是可能分子的集合 ，其中 是集合中元素的數量，可能為無限。
• 是對 中分子的一組n元運算，即反應規則 。每個規則 的寫法類似於化學反應，例如 。注意，此處的 是運算子，而非 。
• 是一個演算法，描述如何將規則 應用於一個子集合 。
• 是 中分子的互動規則。

人工化學的類型

• 根據可能分子的空間
  • 有限
  • 無限
• 根據反應的類型
  • 催化系統
  • 反應系統
  • 抑制系統
• 根據空間拓撲
  • 均勻攪拌反應器
  • 拓撲排列（一維、二維及三維）

重要概念

• 該領域高度依賴數學，包含數學建模。事實上，它對數學背景的依賴程度高於化學背景。
• 組織（Organizations）：一個組織是一個封閉且自我維持的分子集合。因此，它是一個不會創造任何自身以外物質的集合，且集合內的任何分子都可以在該集合內部生成。
• 封閉集合
• 自我維持集合
• 組織的哈斯圖

人工化學的歷史

人工化學作為人工生命的一個子領域出現，特別是源自強人工生命。此領域背後的理念是，若要建造有生命的物體，必須透過非生命實體的組合來完成。例如，一個細胞本身是活的，但它卻是由非生命的分子組合而成。人工化學的研究者之中，不乏相信極端由下而上（bottom-up）方法來研究人工生命的人。在人工生命中，資訊位元被用來代表細菌或物種成員，每一個體在電腦模擬中移動、繁殖或死亡。在人工化學中，資訊位元則被用來代表能夠相互反應的起始分子。該領域與人工智慧相關，鑑於數十億年來，非生命物質演化成原始生命形式，後者又再演化為智慧生命形式。

重要貢獻者

最早提及人工化學的文獻來自 John McCaskill 撰寫的一篇技術論文 。 接著，Walter Fontana 與 Leo Buss 合作，接手此研究並開發了 AlChemy 模型

。 該模型於第二屆國際人工生命會議上發表。 在他最早的幾篇論文中，他提出了組織的概念，即一個代數封閉且自我維持的分子集合。 此概念後由 Dittrich 與 Speroni di Fenizio 進一步發展為化學組織理論

。

人工化學有兩大學派，分別位於日本和德國。 在日本，主要研究者為池上高志（Takashi Ikegami） 、

鈴木英明（Hideaki Suzuki）

及 鈴木泰博（Yasuhiro Suzuki）

。 在德國，則是 Wolfgang Banzhaf，他與其學生 Peter Dittrich 和 Jens Ziegler 共同開發了多種人工化學模型。 他們於2001年發表的論文〈Artificial Chemistries - A Review〉成為該領域的標準參考。 Jens Ziegler 在其博士論文中，證明了人工化學可用於控制一個小型的 Khepera 機器人 。 在眾多模型中，Peter Dittrich 開發了 Seceder 模型，該模型能透過一些簡單的規則來解釋社會中的群體形成。此後，他成為耶拿大學的教授，研究人工化學作為定義建構式動態系統一般理論的方法。

人工化學的應用

人工化學常用於原生生物學（protobiology）的研究，試圖彌合化學與生物學之間的鴻溝。 研究人工化學的另一動機，是對建構式動態系統的興趣。鈴木泰博（Yasuhiro Suzuki）使用他的方法——多重集合上的抽象重寫系統（ARMS），已為膜系統、訊息傳遞路徑（P53）、生態系統及酶系統等多種系統進行建模。

流行文化中的人工化學

在格雷格·伊根（Greg Egan）1994年的科幻小說《Permutation City》中，被稱為「副本」（Copies）的腦部掃描模擬人類居住在一個模擬世界中，該世界包含一個名為 Autoverse 的人工生命模擬器。此模擬器基於一個複雜到足以代表人工化學基質的細胞自動機。微小的環境在 Autoverse 中被模擬，並充滿了一種簡單的、經設計的生命形式——蘭伯特自動菌（Autobacterium lamberti）。Autoverse 的目的是讓「副本」們在一個顯著龐大的模擬宇宙區塊（被稱為「蘭伯特星球」）中運行後，去探索其中演化出的生命。

參見

• Avida 數位演化
• 細胞自動機
• 計算化學 - 使用簡化模型來模擬化學互動

外部連結

• Artificial Chemistries 網站
• Tim Hutton 的論文與演講 - 包含數篇關於人工化學應用於人工生命的論文

• protobiology.org 網站