第一单元生物和生物圈第一章认识生物生物学：是研究生命现象和生命活动规律的科学。生物的特征：1、生物的生活需要营养2、生物能进行呼吸3、生物能排出身体内产生的废物4、生物能对外界刺激作出反应5、生物能生长和繁殖6、除病毒外，生物都是由细胞构成的第二章生物圈是所有生物的家一、生物圈1、地球上适合生物生存的地方，即地球上的生物以及生物生存的空间，叫做生物圈。2、生物圈的范围：大气圈的底部、水圈的大部和岩石圈的表面。3、生物圈为生物的生存提供的条件：营养物质、阳光、空气、水、适宜的温度和一定的生存空间。二、环境对生物的影响影响生物生活的环境因素分为两类：非生物因素和生物因素。非生物因素：光、温度、水、空气等生物因素：是指影响某种生物生活的其他生物。生物之间的关系：种内之间：斗争和互助种间之间：捕食、竞争、合作、寄生关系等。三、生物对环境的适应和影响1、生物具有与其生活环境相适应的形态结构和生活方式。生物的适应性是普遍存在的。2、生物对环境的影响：蚯蚓松土、沙地栽种植物等。3、科学探究的一般过程：提出问题—作出假设—制定计划—实施计划—得出结论—表达和交流四、生态系统1、定义：在一定地域内，生物与环境所形成的统一的整体叫做生态系统。如：一片森林、一块农田。2、组成：生物部分：植物——生产者；动物——消费者；细菌、真菌——分解者生产者、消费者和分解者之间是相互依存的关系。非生物部分：阳光、空气和水等。3、生产者和消费者之间的关系，主要是吃与被吃的关系，这样就形成了食物链。4、在一个生态系统中，往往有很多条食物链，他们彼此交错连接，形成食物网。在生态系统中，物质和能量沿着食物链和食物网流动；有毒物质能够沿着食物链不断积累。5、生态系统具有一定的自动调节能力。生态系统中各种生物的数量和所占的比例是相对稳定的。但这种调节能力是有一定限度的。五、生物圈是的生态系统1、种类：森林生态系统——绿色水库（地球之肺）；湿地生态系统——地球之肾农田生态系统、城市生态系统——人工的生态系统草原生态系统、海洋生态系统、淡水生态系统。2、生物圈是一个统一的整体。每一个生态系统都与周围的其他生态系统相关联。第二单元生物和细胞第一章观察细胞的结构一、显微镜1、显微镜的构造：目镜、物镜、粗准焦螺旋、细准焦螺旋、通光孔、遮光器、反光镜、转换器载物台、压片夹、镜臂、镜筒、镜座、镜柱。2、步骤：①取镜和安放②对光③观察④擦拭、收镜、整理。3、从目镜内看到的物像是倒像。目镜和物镜的放大倍数的乘积，就是显微镜的放大倍数。标本移动的方向与物像移动的方向是相反的。二、观察植物细胞：观察的材料一定是薄而透明的。1、洋葱鳞片表皮细胞临时装片：擦、滴、撕、展、盖、染、吸。2、常用的玻片标本有：切片、涂片、装片三种。（载玻片和盖玻片）3、植物细胞结构：细胞壁——保护和支持细胞的作用；细胞膜——控制物质的进出，具有选择透过性；细胞核——内有遗产物质，能传递遗传信息；细胞质——新陈代谢的场所，内有液泡（液泡内有细胞液）和叶绿体。液泡——内有细胞液叶绿体——光合作用的场所，将光能转化为化学能。4、画生物图时，比较暗的地方，用铅笔点上细点来表示，越暗的地方，细点越多，不能图阴影。三、观察动物细胞1、人口腔上皮细胞的临时装片：擦拭—滴生理盐水—刮取（取材前要漱口）—涂抹—盖盖玻片（注意方法）—染色—吸。2、动物细胞结构：细胞膜、细胞质、细胞核。细胞是生物体结构和功能的基本单位。注意：要区别气泡和细胞。气泡往往有粗而黑的边缘，形状往往呈圆形或椭圆形，里面往往是一片空白，用镊子尖轻轻压一下盖玻片，气泡就会变形或移动。这些都是区别气泡和细胞的重要标志。第二章细胞的生活一、细胞的生活需要物质和能量1、细胞中的物质分为：无机物——水、无机盐、氧等；有机物——糖类、脂类、蛋白质、和核酸。废物——尿素、二氧化碳2、细胞膜：控制物质的进出。具有选择透过性。3、细胞质：细胞质的流动有助于加速细胞与外界环境之间进行物质交换。内有能量转换器——叶绿体（植物细胞有）和线粒体（动、植物细胞均有）。叶绿体——叶绿素吸收光能，叶绿体将光能转化为化学能，光合作用的场所。线粒体——将化学能释放出来，为细胞的生命活动提供能量。二、细胞核是遗传信息库1、受精卵内具有指导身体发育的全部信息，这些信息是由父母传下来的，因而叫遗传信息。2、细胞核中有储存遗传信息的物质——DNA。DNA：是遗传信息的载体，是一种有机物，存在于细胞核中，结构像一个双螺旋形的梯子。基因：DNA分子很长，可以分成许多个片段，每一个片断都具有特定的遗传信息，这些片断就叫基因。基因决定生物的性状。3、DNA和蛋白质组成染色体：染色体：将正在分裂的细胞用碱性染料染色，再放在显微镜下观察，你会发现细胞核中有许多染成深色的物质，这些物质叫做染色体。染色体：是由DNA和蛋白质两种物质组成的。4、生物体内的体细胞中都含有一定数量的、结构不同的、成对的染色体。人体-23对；水稻12对。遗传病：细胞中多了一条染色体。5、细胞核——染色体——（DNA、遗传物质、蛋白质）6、小羊多莉：A羊无核卵细胞；B羊细胞核；C羊子宫————B羊7、细胞是物质、能量和信息的统一体。细胞的生活需要物质和能量。三、细胞通过分裂产生新细胞1、生物体由小长大，是由于细胞的生长——细胞体积的增大细胞的分裂——细胞数目的增多2、细胞分裂：一个细胞分裂成两个细胞的过程。特点：遗传物质复制和平均分配。过程：①先是细胞核一分为二；②后是细胞质一分为二；每份中都含有一个细胞核。③最后形成新的细胞膜，植物细胞还要形成新的细胞壁。3、细胞核分裂时，染色体的变化最明显。①染色体的复制，数量增加一倍；②染色体平均分配到两个新细胞里；③两个新细胞的染色体形态和数目形同；④新细胞与原细胞的染色体形态和数目形同。新旧细胞所含有的遗传物质是一样的。第三章细胞怎样构成生物体一、动物体的结构层次1、细胞分化形成组织：受精卵——细胞分裂——新细胞。组织：组织是由形态相似、结构和功能相同的细胞联合在一起组成的细胞群。细胞分化产生了细胞群，每个细胞群都是由形态相似、结构、功能相同的细胞联合在一起形成的，这样的细胞群叫做组织。细胞————组织————器官————系统————动物体细胞形成组织，组织形成器官，器官形成系统，再由系统构成整个动物体和人体。2、人体的四大组织上皮组织：具有保护、分泌功能；肌肉组织：具有收缩、舒张功能；神经组织：能够产生和传导兴奋；结缔组织：具有支持、连接、保护、营养功能。如骨组织、血液等。3、组织进一步形成器官由不同的组织按照一定的次序联合起来，形成具有一定功能的结构就叫做器官。不同的组织按照一定的次序结合在一起构成器官。皮肤是人体的器官4、器官构成系统和人体①能够共同完成一种或几种生理功能的多个器官按照一定的次序组合在一起构成系统。②人体有八大系统：运动、消化、呼吸、循环、泌尿、神经、内分泌、生殖八大系统。二、植物体的结构层次1、受精卵经过细胞分裂、分化————组织————器官————植物体。2、绿色开花植物有六大器官：根、茎、叶（营养器官）花、果实、种子（生殖器官）。3、植物的几种主要组织：分生组织：终生保持分裂能力，由这样的细胞群构成的组织，叫分生组织。（根尖的分生区）。保护组织：根、茎、叶表面的表皮细胞。营养组织：根、茎、叶、花、果实、种子种都含有大量的营养组织。输导组织：茎、叶脉、根尖成熟区等处的导管，能够运输水和无机盐。三、只有一个细胞的生物体1、身体中只有一个细胞的生物，成为单细胞生物。2、草履虫的结构示意图：对污水净化有一定的作用①纤毛——靠纤毛的摆动前进②表膜——氧的摄入、二氧化碳的排出③口沟——摄取食物④食物泡——消化食物⑤收集管、伸缩泡——排出多余的水和废物⑥细胞核（大核、小核）——遗传物质⑦细胞质——⑧胞肛——排出食物残渣第四章没有细胞结构的微小生物——病毒1、只有在电子显微镜下，才能看到病毒。分为三类：动物病毒、植物病毒和细菌病毒。2、病毒不能独立生活，结构简单，由蛋白质外壳和内部的遗传物质组成，没有细胞结构。3、病毒只能寄生在活的细胞里，复制新的病毒。离开了活细胞，会变成结晶体。显微镜的使用步骤第一步是取镜与安放。一定要右手握住镜臂，左手托住镜座。将显微镜轻轻地放在实验桌上，略偏左，距离实验台边缘7厘米左右处。目的是便于用左眼进行观察。安装好目镜和物镜。第二步是对光。1、转动转换器，使低倍物镜对准通光孔。注意，手指要握住转换器的边缘，不能扳动物镜。当转换器有轻微的“咔”的声响时，物镜正好对准了通光孔。2、转动遮光器，在室内光线不太强的情况下，使较大的光圈对准通光孔。3、左眼向目镜里看，同时右眼要练习睁开，目的是便于以后边观察、边绘图。用手转动反光镜，使光线反射到镜筒内，从而看到一个明亮的圆盘，这就是视野。这时光已经对好。对好光后，不要再随便挪动显微镜。第三步是观察。今天只学习使用低倍物镜进行观察。1、把要观察的玻片标本（用印有“上”字薄纸片制成的装片）用擦镜纸轻轻擦拭干净，并且放在载物台上，用压片夹压住。玻片标本中所要观察的部分一定要正对通光孔的中心。2、转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓地下降，使物镜接近玻片，但不能触及玻片。注意，此时眼睛一定要看着物镜，以免镜头或玻片标本受损。3、左眼向目镜里看，同时反方向焦动粗准焦螺旋，使镜筒徐徐上升，当看到物像后，再略微转动细准焦螺旋，进行细微的调节，直至物像清晰为止。第四步是收镜和整理。每次实验课完毕，同学们都要将实验器具收拾干净、整齐。分步骤完成这项工作：1、用洁净纱布把显微镜外表擦干净，用擦镜纸擦一下镜头。2、转动转换器，把两个低倍镜头偏到两旁。3、转动粗准焦螺旋，使镜筒下降，恢复原状。4、把反光镜竖直放置，这样可以减少灰尘落在上面。5、把显微镜放入镜箱内，将镜箱放回原处。6、把桌上其他用品按原样摆放整齐，实验桌要保持整洁、干净。
关键词：机电一体化；系统；联合仿真；技术；自动化；智能化
机电一体化技术的广泛应用是科技不断进步的体现，这项技术可以实现机电产品的自动化生产，可以保证生产系统的智能化运行。机电一体化技术在发展的过程中，运行系统越来越完善，功能越来越多，相关技术人员在机电一体化系统中加入了通信技术以及微加工技术，这提高了机电一体化系统的应用效果，可以生产出更多精细的机电产品。本文对机电一体化系统中的联合仿真技术进行了介绍，在应用这项技术后，可以促进机电一体化体系更好的发展，可以促进机电产品生产与加工行业更好的发展。
1机电一体化系统的特点
机电一体化系统具有强大的信息处理功能，还具有一定控制的功能，其在传统生产系统的基础上加入了电子技术，利用电子设备，可以实现系统的自动化运行。机电一体化系统是将机械装置、电子技术以及相关软件有效的结合在一起，构成了一种新的系统，不需要借助较多的人工操作，就可以实现系统的稳定运行。由于很多企业都缺乏实操性人才，使得企业机电一体化系统无法发挥出最大的效用。在有的现代化机电产品生产企业中，高薪聘请了较多专业人才，结合企业的生产现状对机电一体化系统进行了完善，这促进了企业的发展，提高了企业的竞争力以及生产效益。
机电一体化系统在运行的过程中，也会出现故障问题，由于采用的自动化、智能化的运行模式，所以，在发生故障时无法及时的维修与处理。机电一体化系统中存在的故障隐患比较多，很多故障都是长期累积产生的，由于发现不够及时，在处理时难度也比较大。采用联合仿真技术，可以有效的解决这一问题，这项技术可以对系统存在的安全隐患进行检测，可以提高系统运行的稳定性。仿生容错技术是一种常见的联合仿真技术，其可以及时发现机电一体化系统中存在的故障隐患，可以保证系统运行的安全性，可以保证机电产品生产的连续性，可以保证企业的经济效益，值得在机电一体化系统中大力推广。
2仿真硬件容错研究现状
仿真硬件容错技术有着良好的应用前景，在对仿真容错技术进行研究时，需要结合电路系统的实际运行情况，随着科技的不断发展，机电企业中，电路系统的结构越来越复杂，功能也越来越多，传统的硬件容错技术已经无法满足系统安全、稳定运行的要求，技术人员必须结合当前电路系统，对硬件容错技术进行改进与优化，要保证系统运行的稳定性以及可靠性，要保证容错技术发挥出故障检测与修复的功能。应用联合仿真技术，研究人员从自然界获得了设计的灵感，提出了机器自我繁殖、自我修复的构想，利用进化计算以及胚胎理论，研究人员提出了仿生硬件的概念，这一理念在被提出后，发展的速度非常快，已经逐渐成为了计算机研究的重点内容，研究人员在进化硬件的基础上，提出了容错的想法。它可以像生物一样具有硬件自适应、自组织、自修复特性。采用仿生硬件实现的容错，不需要显式冗余，而是利用进化本身固有容错的特性，这种特性带来的优势是传统方法通过静态冗余实现容错所不能比拟的。
3仿生硬件的容错技术新思路
3.1胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理
仿生硬件可以分为进化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件也称为胚胎电子系统，是模仿生物的多细胞容错机制实现的硬件。胚胎型仿生硬件的容错体系结构，主要由胚胎细胞、开关阵和线轨组成。开关阵根据可编程连线的控制信号完成开关闭合，控制线轨内各线段的使用。胚胎细胞包含存储器、坐标发生器、I/O换向块、功能单元、控制模块等。存储器用于保存配置数据位串，并根据细胞状态和坐标发生器计算出的结果，从配置位串中提取一段经译码后对胚胎电子细胞的换向块和功能单元进行配置。坐标发生器根据每个细胞最近两侧邻居细胞的坐标为其分配坐标。I/O换向块为细胞功能单元间的可编程连线提供控制信号。功能单元用于实现一个n输入的布尔函数，用于实现所需的细胞功能。直接连线负责功能单元之间的相互通信。控制模块完成细胞的工作状态检测、故障诊断、控制细胞冗余切换。
3.2胚胎型仿生硬件实现容错的策略
为了实现对故障细胞的容错，常用的容错策略有两种：行（列）取消和细胞取消策略，通过记录有错的单元位置，重新布线，用其他备用的单元来代替。但是对于连线资源故障，这些策略并未给出相应的对策。在深入研究胚胎仿生硬件容错体系结构的基础上，本文提出一种针对线轨故障的容错策略。
3.2.1行（列）取消策略。在行（列）取消中，若一个细胞出错，则它所在行（列）的所有细胞都将被取消，而该行（列）细胞的功能将被其上一行（右一列）的细胞所代替，即当一个细胞出错时，细胞所在行（列）上移（右移）到一个备用行（备用列）来代替它当前的工作。
3.2.2细胞取消策略。在细胞取消中，用备用细胞代替故障细胞分两个阶段。当某一行的出错细胞数超过备用细胞数时，整行被取消，行细胞上移，用备用行取代出错行的功能。
3.3胚胎型仿生硬件内部错误检测机制
多数表决器判断输出多数细胞模块的信号，但并不能判断出具体哪个细胞出现了错误，也就没法启动对出错细胞的重启动或重构来修复该细胞。为了能检测出错细胞的具置，从而修复该细胞，进一步提高三模冗余的可靠性，需要设计相应的差错检测器。
结束语
联合仿真技术对机电一体化系统安全、可靠、稳定的运行有着促进作用，这项技术是科技不断发展的产物，其在刚刚被提出后，受到了国际的热议，相关研究人员将自然计算引入了仿生硬件的研究中，而且融入了容错技术，这可以使仿生硬件发挥出自修复的功能。机电一体化系统具有较高的效率，但是其在运行的过程中也会出现故障问题，只有及早发现故障，及早处理，才能保证系统运行的效率，才不会影响机电企业的经济效益，通过应用仿生硬件容错技术，有效的降低了系统出现故障的概率。
参考文献
[1]马洪喜.试论我国机电一体化技术的发展现状和趋势[J].科技资讯，2012（2）.
[2]安红杰.机电一体化技术的现状及发展趋势[J].黑龙江科技信息，2012（1）.
复杂系统具有多极结构。西蒙（H.A.Simon）基于自然（和人工）进化的变异-选择观，解释复杂系统的层级架构，即组成部分以自然的交互作用结合在一起，进而创造出各种集合。在这些集合中，稳定的集合“存活”了下来，而其他集合需要继续进化。稳定的集合形成了“自然选择的整体”，它们不把功能作为建筑模块，而是结合到高阶的集合中，然后再重复同样的过程，从而形成了分级结构的复杂性。西蒙用这个模型想表明，突现的多级系统比复杂性的两极系统的概率更大，即在两极系统中，所有组成部分必须“井井有条”，否则在自然变异机制增加缺失的组件之前，集合将变得不稳定。在多极系统中，只需要少数成份“井井有条”就能形成稳定的模块，这些模块的一部分再次递归组合，形成更高级的模块。很显然，井井有条的成份越小，随机组合的概率越大。然而，也有一些例外的情况，不分等级的复杂系统仍然可能。例如，大部分高分子化合物由简单、线性的多分子两极集合形成。自组织模型能解释这种非模块的、两极系统的突现，这样的过程通常有非线性、自催化机制的特征，不怎么稳定的集合增加了让其他成份加入集合的可能性，从而使其变得更加稳定。正反馈的过程不需要模块的中间层。突现的稳定结构就像“吸引子（attractor）”，能够影响相邻的结构，使它逐渐走向稳定的结构。显然，西蒙的分级模型和自组织的“非线性”模型，只能描述突现的部分特征。真实的复杂系统，同样有经过分级的多极层面，也有非线性的二级层面。然而，这样的系统中不只包括整体的层级或非线性的组织，还有子组织和子系统。理解这样的复杂性架构，需要说明在什么规则的作用下，新的系统结构从复杂性的层级中突现。
一、复杂性科学解释突现的变异-选择原则
描述生物进化的自然选择理论，可以简单地视作系统的进化。它探讨的是系统的变异和环境给系统的“选择压力”，即系统的结构只有适应环境才得以维持。进化系统类似于问题解决者，通过尝试（或变异）寻找问题的答案，只要系统的适应性不是最佳的，就需要解决问题。不稳定性越大，问题也越大，在获得新的平衡之前，系统将发生变异。在自然选择过程中，只能通过中间阶段解决问题。与问题求解相比，进化不是最终的解决方案，当系统的进化过程改变了环境，它就无法以最佳的方式适应环境，需要进行重新适应。在进化过程中，每个过程的目标都是另外过程的子目标，以此类推，子目标就成为进化过程的重要特征，相当于稳定的突现系统。另外，进化一般是并行或分布式的，这样的结构限定了系统与环境之间没有绝对的区分。由此产生的后果是，自然选择不再是环境的选择。要规避这个问题，可以考虑把以并行方式进化的整个系统，看作整体化的系统。在这种情况下，自然选择就是整体系统的变异产生的整体上稳定的配置。这样一来，就用内在的选择替换了外在的选择，即内在结构只要稳定就能维持系统，不需要考虑它对外在环境的适应性。虽然，实践中不存在绝对整体化的系统，每个实际的系统仍然包含内在选择与外在选择，但是我们可以通过更大的、更加整体化的系统，把外在选择还原为内在选择。适应性可以还原为一个子系统（初始系统）和另一个子系统（初始环境）之间的稳定关系。例如，影响植物自然选择的外因是维持生存的二氧化碳的数量。这个因素可以看作“边界条件”——对植物自组织过程的环境限定。从整体的视角来看，二氧化碳不是已知外在条件，而是其他系统（动物和细菌）适应环境的产物。这样的系统取决于其他的选择因素——植物产生的氧气。由此，这样的适应过程，可以视为整体化的生态通过内在的自组织，导致的对稳定循环的选择，即二氧化碳转化为氧气又产生二氧化碳。我们还可以用内在选择与外在选择解释变异。内在的变异是系统的内在部分变化的过程，如基因染色体中的突变。外在的变异是系统与环境之间关系的变化，如有性生殖中染色体的重组。总之，从外在视角观察的事物，也可以用内在视角来看，反之亦然。这种解释策略需要整合突现和自组织，强调自组织作为设计规则的作用。
二、人工生命解释突现的变异-稳定原则
1.自组织繁衍是人工生命的基本属性在第二次世界大战期间，罗伯特•奥本海默、恩里科•费米、汉斯•贝特、理查德•费曼、尤金•维格纳、冯•诺伊曼等科学家，在进行“曼哈顿计划”的过程中，开始探讨复杂性问题，使用计算机模拟复杂系统。冯•诺伊曼亲自设计出计算机解决实际问题，研究细胞自动机和自我繁衍（self-reproduce）的机器。虽然在20世纪50年代早期，他就提出了形式化细胞自动机的设想，但数学家斯塔尼斯拉夫•乌拉姆，最早开展了设计存储程序的计算机的相关实验，探索遵循递归规则、具有二维和三维几何特性的生长模式。因而，我们通常把乌拉姆看作人工生命研究的真正奠基者。复杂性是人工生命的核心概念。在乌拉姆的启发下，冯•诺伊曼设计出第一个细胞自动机模型。他主要研究人工生命的繁衍过程，寻找非平凡的（non-trivial）自我繁衍所需的充分的逻辑条件。在他所描述的机器人的运动模型中，在水中的机器人通过组合全部构件来摹仿自身的浮动。冯•诺伊曼成功地说明了繁衍的方式，却无法解释机器人运动的原因。于是，他放弃基因层面的模拟，而是采用乌拉姆的方法，只从中提取自我繁衍的逻辑形式，即首先把自我繁衍描述为逻辑序列，再用通用图林机进行自我繁衍的操作。冯•诺伊曼构想的二维的细胞自动机，带有29种可能的状态。当前的细胞与毗邻的4个正交的细胞之间的规则转换，产生出每个细胞的状态。根据这种情况，他提出了4条非平凡解的自我繁衍的原则：第一，系统的自我描述不涉及自身。这条原则避免了执行自我描述时，无限的“回归”。按照这条原则，自我描述可以是未解释的系统模型，也可以是对系统的编码。第二，系统只要有管理单元（supervisoryunit），就能执行任何计算。这条原则用于解释繁衍过程中，自我描述的两个方面。第三，系统只要有通用构造器（universalconstructor），就可以在细胞空间中构造已描述的对象。第四，通用构造器按照管理单元的指令，构造系统的新副本，自我繁衍包含系统的自我描述。[1]冯•诺伊曼用逻辑原则解释生命的主要特征，而阿瑟•勃克斯则对电子离散变量自动计算机EDVAC进行逻辑设计。冯•诺伊曼从自然的自我繁衍中提取逻辑形式，自然成为了人工生命研究的先驱者。在20世纪70年代，约翰•康维基于细胞自动机改造乌拉姆和冯•诺伊曼的方法，设计出“生命游戏”，说明复杂世界如何从简单规则中突现。在他看来，当前的细胞和相邻的8个细胞使用两种规则，是产生细胞状态的原因。生命的规则很简单。只要“活”细胞的数目为3，当前的细胞在下代细胞中“存活”；而“活”细胞的数目为0、1、4、5、6、7、8中的任意一个，当的前细胞就无法在下代细胞中存活。1965年，勃克斯的学生埃德加•科德简化了冯•诺伊曼的细胞模型。1984年，勃克斯的另一个学生克里斯多夫•兰顿，在科德的“周期性发射器”（periodicemitter）基础上设计自我繁衍模式，证明了通用的构造能力不是自我繁衍的必要条件。他的自动机只有8种细胞状态，这些细胞是细胞空间中繁衍的复制数据，也是依据转换规则进行操作的指令。初始结构只需要151个时间步长就能成功地繁衍自身。另外，每个“回路”都以类似的方式繁衍自身，扩展“回路”的集群。这个实验表明，细胞的动态过程的成分依据基因特征编码，而动态过程是“计算”发展过程中遗传表达的原因。从复杂系统科学的视角看，使用计算机模拟复杂系统，研究细胞自动机和自我繁衍的机器，实际上是一种人工生命的自组织繁衍研究，从这个意义上看，自组织繁衍是人工生命的基本属性。
2.人工生命是突现的科学传统科学的基础是还原论的分析方法，按照这种方法，系统是由简单部分组成的结构，任何事物都可以分解为更小的部分。但是，这种方法无法解释复杂系统，由于复杂系统具有突现属性，一旦分解系统就会丧失突现属性。突现现象在科学中随处可见，在宽泛的意义上，任何系统都有突现属性。解释这些科学现象需要新的研究框架，综合方法恰好可以作为分解方法的补充。人工生命的综合方法包含两个方面：（1）提取生物体的逻辑规则；（2）用计算机实现这些规则。经过这两个阶段，就可以得到有类生命属性的人工系统模型。这种研究方法有两个基本的假设（：1）把生命看作物质的组织属性。或者说，生命是形式属性，而不是物质本身；（2）复杂的属性从简单过程的交互作用中突现。从形式上可以将人工生命划分为平凡的（trivial）与非平凡的（non-trivial）两种系统。[2]具体来说，第一种系统包含所有人工模拟的生物体；第二种系统包括数学模型、概念模型和物理模型。第二种系统还可以进一步分为三种类型：（1）用生物化学合成技术获取物质系统的类生命特征；（2）是一种研究机器人的新方法；（3）虚拟的生命，即有突现属性的计算机程序。这些形式的可能性取决于解决弱人工生命-强人工生命，或者说生命-身体的类比问题。[3]功能论者从人工生命的角度看自然生命。在解释心理时，通常不考虑思维系统的物理细节，把生命属性看作多重实现。然而，多重实现也有缺陷，只要减少实现的数量，功能论就会导向同一论；而生命的概念过于抽象，也会导致二元论或活力论。最好的方法是采用适度的功能主义。从方法论上来看，这些研究主要涉及这些方面[4]：（1）细胞自动机。主要研究复杂性的建模问题。细胞自动机实质上是一些具有离散状态的细胞。细胞状态根据转换规则，经过离散时间产生变化。转换规则把当前的细胞状态与最亲近的细胞状态结合起来。多数情况下，所有的细胞使用平行和同步的迭代算法（iterationalgorithm），或使用随机和非同步的迭代算法同时更新。自我繁衍是细胞自动机最重要的研究问题，涉及冯•诺依曼、兰顿和沃尔弗拉姆（S.Wolfram）的研究。（2）人工胚胎学。主要研究生命系统从单细胞发展为完整组织的能力。这项研究的基础是分形几何，通过这个工具说明复杂的类生命形式如何从简单的递归过程中突现，典型的研究有林登麦伊尔（A.Lindenmayer）与普鲁辛凯维奇（P.Prusinkiewicz）的L系统、道金斯（R.Dawkins）的生物形态。（3）进化计算。主要研究自然选择的进化规则的计算问题。这项研究中应用的主要是霍兰德（J.Holland）的遗传算法。遗传算法用于解释，如何从母体（parentpopulation）中生成适应环境的变体。通过使用遗传算子生成变体，能够解释遗传表型的基因特征的突变与互换。如果按照基因分类器（GeneticClassifiers）使用遗传算法，还可以解决机器学习的问题。另外，使用遗传编程，还可以解释自我完善的计算机程序如何突现，即依据自然选择编写计算机程序。（4）自催化网络。主要研究生命的可能起源与原始生命的进化模型。在这个网络中，节点被看作特定的RNA序列，把弧定位为催化的交互作用。相关的研究有超循环理论。（5）计算的生命。主要研究计算机程序的设计。这项研究只展现类生命的行为，不模拟已有的生物有机体。尽管计算机的处理方式与自然生命的不同，它也有繁衍、与环境交互作用及进化的能力。如，Tierra程序以及计算机病毒。（6）集体智能。主要研究分布式人工智能和多主体系统。这项研究并不遵循自下而上的方式。典型的研究涉及蜂群网络、蚁群算法以及进化神经网络的实现。（7）进化的机器人。主要研究自主机器人的设计。例如，用有反应能力的分层体系结构设计机器昆虫、小规模的机器人群体的集体行为、使用进化规则分析机器人的控制结构。（8）可发展的硬件设备。主要研究硬件进化的实现。这项研究涉及硬件的自我修复和自我繁衍、新传感器的设计等。由于硅元素缺少某些用于进化的基本特征，要获得自适应性，只有采用类似于FPGA（Field-ProgrammableGateArray）的技术，或是采用遗传编程的方法。（9）纳米技术。主要研究自然生命或新有机体相关的合成过程。费曼（R.Feynman）开创了这项研究，他在1959年主张在分子层面微缩和扩展工业制造能力，以此创造人工生命。（10）生物化学合成技术。主要研究RNA繁殖的体外实验、原始人工生命形式、RNA链的合成和进化、自催化的反应以及渗透性的生长等。[5]这些研究都强调“突现”这个核心概念，即整体性的行为和结构通过各个组成部分的交互作用产生，但不作为组成部分的行为和组织的原因。在这个意义上，人工生命就是突现的科学。
3.从“变异-选择原则”走向“变异-稳定原则”“我们可以用不同的尺度观察系统，这些尺度就像是抽象的层级，只要知道系统的某个层次，就可以把系统想象为某个结构网络，进而推导出下级层次。比较这两个层次，低级层次的结构众多，但类型很少，而高级层次的结构较复杂，类型也很多。所有的层次组合在一起构成了一个复杂性的层级。在这个抽象的模型中，可以把系统的结构理解为粒子、分子、生物体、信息、符号等。同一层次上的结构，通过与其它结构的连接获得自己的属性，它们之间的动态交互作用产生了新的动态结构。这些新结构，再以同样的方式获得新属性。由此，我们可以在一个虚构的附属层次上定义突现属性，这样一来，就可以把这些属性还原为系统结构的局部组合，进而用更形式化的方式定义它。我们还可以用这样的模型描述比较大的系统，如宇宙。”[6]把夸克、粒子、原子、分子、生物大分子、细胞、生物体看作不同层次中的元素，某个层次中的元素都可以通过组合构成上级层次中的新元素。这里面也有特殊的情况，如氦原子非常稳定，它没有与其它原子的“链接”，而碳原子却有四种“链接”。由于碳有较强的交互能力，它是每个大分子结构都不可或缺的元素，并成为生命的物质基础。既然如此，在什么规则的作用下，新的系统结构从复杂性的层级中突现？“这样的规则包含变异和稳定的系统过程。这些过程在所有层次上并行发生。在任何层次上，结构单元都有许多不同的配置。在产生热力学变动的时候，确定的描述开始远离平衡的过程。这些变动致使结构单元的配置发生随机变异，而变异形成了许多瞬态的结构，它们与更高的组织层次相关联。某些瞬态的结构之所以稳定，是因为它们适应了环境，并且它们的结构属性就包含在稳定的过程中。这些新结构形成了新的复杂性层次。”[6]稳定的过程演变为四类相变的行为：一是固定和同质的状态；二是简单的周期结构；三是无序的周期结构；四是复杂结构。[7]兰顿认为像生命系统这样的复杂结构，应该维持在有序与无序的相变“临界点”上，避免任何一种最终结果。
稳定过程的基础是生物细胞的自组织，如自创生（autopoiesis）。在自创生的基础之上，我们能以组织导向（organization-oriented）定义极小生命。在这种情况中，达尔文的“自然选择”的变异-选择原则，只是变异-稳定原则的特例。这两个原则之间有两个重要的差异（：1）稳定过程不是优化方案。自然选择优化了生物的适应功能，使其在竞争资源中占据优势，但结构稳定的过程，从整体上满足环境的约束条件。例如，瓦雷拉等人提出的自然漂变命题（naturaldriftproposition）就是一个满足过程，而不是优化过程。（2）所有层次在分级模型中交织在一起。环境由所有层次的所有结构组成。从局部到整体，再到局部的内在层次，这样的反馈回路对生命至关重要。
三、汇聚技术的启示：弱化自组织的作用
人工生命系统展示了生命开放式进化的发展方式，但Tierra世界中的数字进化却不是开放式的，因为Tierra生物的复杂性低，进化的变化不多。对此，汤姆•雷（T.S.Ray）试图扩大Tierra的环境来增加异质性。他发现Tierra生物通过互联网，从一台计算机迁移到另一台计算机上，寻找未使用的资源及局部的生态位，从而进化为新细胞。在执行复杂的环境计算时，改良Tierra将增加预期的遗传复杂性。然而，对于原始版本的Tierra来说，这样的进化是有限的。按照希利斯（W.D.Hillis）的观点，协同进化能推动进化性进步。协同进化的“演化军备竞赛”通过改变环境来推动进化。即使这样，原始的Tierra与改良的Tierra都需要协同进化。发展开放式进化，需要对人工和自然的进化系统作定量比较。从贝多（M.A.Bedau）和帕卡德（N.H.Packard）的数据来看，存在不同性质的进化动态，未知的人工系统生成了生物圈所展现的进化动态。
总之，生命的进化不断地创造出新的环境，而这些环境又赋予生命新的适应性。然而，目前用变异-稳定原则解释复杂系统进化机制仍有局限。汇聚技术的出现为我们提供了新的视角，即把自组织看作是一个建构的过程。按照迪皮伊（J.P.Dupuy）的观点，认知科学引导汇聚技术定位失控的程序。[8]自组织作为自发过程，也涉及控制问题。虽然自我复制的机器不会有真正的危险，但自组织是一个建构的过程。长期以来，自组织只是委托（delegation）人工任务的一个步骤，但在授权机器的逻辑运算之后，应该授权机器的自我建构。实现这个目标有三种自组织的策略：（1）混合化（Hybridization）的策略，即使用生命系统的建筑模块（buildingblocks）制造设备和机器。（2）仿生（Biomimetics）的策略，即赋予人造物模仿的性能。（3）整合（Integration）的策略，这个策略是对前面两种策略的综合。这三个策略假设人造物与自然系统有某些相同的特征，可以用机器隐喻描述生命系统。但是这样的隐喻操作有两种不同的方式：（1）使用技术词汇表，把生物体描述为机器；（2）把设备和机器描述为有机物。在20世纪70年代，法国哲学家康吉兰（G.Canguilhem）就发现，生物与机器的类比总是用技术术语描述生物体。[9]现在的问题是，机器能否像人类那样进入生活世界？第一种策略：机器的自组织以生物进化的选择方式使用结构和设备，反过来可以把生物细胞视为分子机器（Molecularmachine），如分子生物学家把DNA、RNA、酶、蛋白质描述为纳米机器，材料化学家建设分子发动机和分子转子。生命系统也被看作分子的制成品。我们期望通过模仿自然，设计出维持生命的高性能结构，但是成功的概率很低，更可行的方式是设计自然提供的建筑模块——蛋白质、细菌、微胶粒（micelles）或胶质。合成生物学通过应用工程学的方法，发展出混合的对称策略：把生物过程分解为它的元素，基因片段被当作操作单元，把这些元素装配为模块。
