nikonru 16 апр в 17:16

TorLand: программируемая эволюция

Простой

5 мин

Логические игрыНенормальное программирование*

Обзор

В 40-е годы XX века работа Фон Неймана в области самовоспроизводящихся машин привела к появлению теории клеточных автоматов. Оттуда же берёт своё начало не безызвестная "Game of Life" - математическая модель примитивной жизни захватывающая умы простотой своего описании и сложностью порождаемых ею систем.

Футуристы тех лет считали, что эти исследования помогут в ближайшем будущем покорить Марс - где даже одного самореплицирующегося автомата хватит, чтобы он, скрупулёзно следуя алгоритму заложенному при его создании, смог основать целую колонию таких машин. Которые занялись бы терраформингом и приготовлением планеты к прибытию колонистов из плоти и крови.

Мы же предлагаем вам приобщиться к этому делу в игровой форме. Вы можете попробовать себя в роли разработчика таких машин в TorLand и положить начало новой искусственной жизни, более того всё это можно сделать в пределах окна вашего браузера.

Бот - модель примитивного организма

Боты населяют клетчатое квадратное поле с замкнутыми сторонами. Подобно почти всем живым существам они обладают:

Памятью;
Потребностью в энергии;
Ориентацией в пространстве;
Возрастом;
Органами чувств.

И самое главное они обладают генами. В TorLand'е геном - это результат компиляции Assembly-like кода, который описывает поведение бота. Язык описания генома бота называется BotLang подробнее о деталях его синтаксиса можно почитать вот здесь.

Мы же рассмотрим пример простого генома - JXELCCIAIAEAGQH72HBF5RH545ZBQAYKDI4EEIWUBEYGASHJJ5U6H4GPP3JQK. Который был скомпилирован из следующего кода

start:           // объявление метки
eatsun           // поглощение энергии солнца
cmpv en 1500     // сравнение уровня энергии с константой
jle start        // переход на метку start, если En <= 1500
fork right start // деление с созданием новой колонии справо,
                 // новый бот начинает выполнение кода с метки start
mov front        // пройти на 1 клетку вперёд относительно "лица" бота

Этот простой организм ждёт накопления достаточного уровня энергии, которую он получает из солнца. После чего размножается делением, порождая нового бота справа, а затем делает один шаг вперёд. Так как fork это довольно энергоёмкая операция, старый бот тут же погибает после передвижения в новую клетку. Создавая тем самым ощущение бегущей волны.

В симуляции первое время всё идёт согласно нашему замыслу элегантно описанному в коде. Но в конце один из ботов неожиданно покидает стройные ряды своих собратьев и отправляется на встречу к неизведанному.

Это не что иное как эволюция - случайное изменение генома нового бота, которое может произойти с некоторой вероятностью при каждом использовании команды fork.

Если же вам не по душе такая непредсказуемость вы всегда можете использовать аналогичную команду split, которая гарантирует отсутствие мутаций в новом организме. Или же вообще отключить возможность случайной мутации, установив её вероятность равной нулю в настройках мира.

NiLang

В романе "Мир-Кольцо" Ларри Нивен описывает массивную супер-структуру - кольцо опоясывающее звезду и являющееся домом для множества биологических видов собранных по всей галактики загадочными создателями этого чуда света.

С точки зрения топологии мир в котором существуют боты аналогичен Миру-кольцу. Квадрат с замкнутыми сторонами представляет из себя двухмерную проекцию поверхности Тора.

NiLang - это высокоуровневый язык программирования ботов TorLand'а, получивший своё название от первых слогов имени и фамилии автора "Мир-Кольцо" - Ларри Нивена.

Геном бота из нашего первого примера можно описать следующей программой на NiLang'е.

Using bot

Fun Charge$ energy Int:
    While GetEnergy < energy:
        ConsumeSunlight # function call without arguments

Charge$1500
Fork$dir::right
Move$dir::front

Как видите, синтаксически NiLang очень похож на Python, хотя в отличие от него является статически типизированным языком. Если вам интересно полное описание синтаксиса NiLang'а и другая информация о нём, то вы можете найти её здесь.

А теперь давайте перейдём к примерам куда более комплексных организмов.

Примеры

Шахматная доска

Начнём с простого, заполним тор ботами в шахматном порядке. Алгоритм здесь довольно простой:

Зарядиться энергией;
Если клетка справа спереди свободна, породить нового бота там;
Повернуться на право;
Обойдя все четыре стороны перейти в режим "растения" - вечный цикл накопления энергии.

Using bot

Fun Charge$ energy Int:
    While GetEnergy < energy:
        ConsumeSunlight
        
Int i = 0
While i < 4:
    Using dir
    Charge$1500
    If IsEmpty$frontRight:
        Fork$frontRight
    Face$right
    i = i + 1

While True:
    ConsumeSunlight

Поле цветов

Переходя к более сложным организмам, мы можем воспользоваться генетической памятью - возможностью бота передавать своему потомку информацию. Для создания цветка нам потребуется три роли:

Корень - основания от которого будут расти ветки нашего цветка;
Ветка - кусок цветка, который породит семечку;
Семечко - подвижная часть организма, которая отвечает за создание нового цветка.

Using bot

Int _ENERGY = 1500
Int _BRANCH_LENGTH = 5
Int _SPREAD_DISTANCE = 45

Fun Charge$ energy Int:
    While GetEnergy < energy:
        ConsumeSunlight
 
Fun PlantLoop:
    While True:
        ConsumeSunlight
 
Fun Root:
    Int i = 0
    While i < 4:
        Charge$_ENERGY    
        Face$dir::left
        Fork$dir::front
        i = i + 1

Fun Seed:
    Int d = 0
    While d < _SPREAD_DISTANCE:
        Charge$100
        Move$dir::frontRight
        d = d + 1
    WriteMemory$1
    Root

Fun Branch:
    Charge$_ENERGY
    Fork$dir::front

Int stage = 0 
If IsMemoryReady:
    stage = ReadMemory

WriteMemory$stage+1

If stage < 1:
    Root
Elif stage >= 1 And stage <= _BRANCH_LENGTH:
    Branch
Elif stage > _BRANCH_LENGTH:
    Seed
    
PlantLoop

Змейка

До сих пор наши боты существовали в мире с равномерным распределением ресурсов. Но в TorLand'е также можно создать мир разделённый на кластеры, где количество доступного солнечного света и минералов из которых бот получает энергию варьируется (жёлтые участки богаты солнцем, а синие минералами).

Змейка использует свои органы чувств, чтобы расти только в сторону участков карты богатых на солнечное излучение.

Using bot
Using dir

Int _ENERGY_PER_SPLIT = 1000
Int _INT_MIN = -2000
  
Fun Charge$ energy Int:
    While GetEnergy < energy:
        AbsorbMinerals
        ConsumeSunlight
  
Fun GetEn::Int$dir Dir:
    If  IsEmpty$dir:
        Return -GetLuminosity$dir
    Return _INT_MIN
  
Int ft = GetEn$front
Int fr = GetEn$frontRight
Int rt = GetEn$right
Int br = GetEn$backRight
Int bt = GetEn$back
Int bl = GetEn$backLeft
Int lt = GetEn$left
Int fl = GetEn$frontLeft
 
Fun IsMax::Bool$x Int:
    Return x >= ft And x >= fr And x >= rt And x >= br And x >= bt And x >= bl And x >= lt And x >= fl
 
Charge$_ENERGY_PER_SPLIT + _ENERGY_PER_SPLIT/2
 
If IsMax$ft:
    Split$front
Elif IsMax$rt:
    Split$right
Elif IsMax$bt:
    Split$back
Elif IsMax$lt:
    Split$left
Elif IsMax$bl:
    Split$backLeft    
Elif IsMax$br:
    Split$backRight
Elif IsMax$fl:
    Split$frontLeft
Elif IsMax$fr:
    Split$frontRight

While True:
    ConsumeSunlight

Песок и платформа

Как ни странно, но при помощи ботов можно сделать простой симулятор частиц. Правда для этого понадобиться отключить старение (сделать очень большим параметр мира Штраф к энергии за возраст), а также понизить Расход энергия за деление и Расход энергии за шаг.

Код бота платформы

Using bot
Using dir

While True:
    If IsEmpty$back:
        Move$back
    Elif IsEmpty$backRight:
        Move$backRight
    Elif IsEmpty$backLeft:
        Move$backLeft
    Else:
        While True:
            ConsumeSunlight

Код бота частицы

Using bot
Using dir

While True:
    If IsEmpty$back:
        Move$back
    Elif IsEmpty$backRight:
        Move$backRight
    Elif IsEmpty$backLeft:
        Move$backLeft
    Else:
        While True:
            ConsumeSunlight

Ссылки

Страница TorLand на GitHub;
Документация к BotLang;
Страница NiLang на GitHub;
Онлайн-Компилятор BotLang и NiLang, а также онлайн версия TorLand'а.

Теги:

Хабы: