本文來(lái)自微信公眾號(hào)：集智俱樂(lè)部（ID：swarma_org），作者：張江，編輯：張爽，題圖來(lái)自u(píng)nsplash

涌現(xiàn)是復(fù)雜性科學(xué)的核心概念，看似簡(jiǎn)單的規(guī)則常?？梢杂楷F(xiàn)出迷人的復(fù)雜行為。以“生命游戲”為代表的游戲，讓計(jì)算機(jī)產(chǎn)生超出設(shè)計(jì)者構(gòu)想的行為，這體現(xiàn)了涌現(xiàn)的思想，也代表著未來(lái)電子游戲的發(fā)展趨勢(shì)?！吧螒颉钡陌l(fā)明者、數(shù)學(xué)大師約翰·康威雖然遠(yuǎn)去，但他發(fā)明的“生命游戲”卻將長(zhǎng)久運(yùn)行。

一、游戲的未來(lái)

如今，計(jì)算機(jī)游戲、網(wǎng)絡(luò)游戲的迅猛發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象。3D 圖形技術(shù)的突破使得人們可以搭建豐富多彩的游戲世界、網(wǎng)絡(luò)游戲的普及使得成千上萬(wàn)的玩家在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下形成空前規(guī)模的互動(dòng)。然而人們不禁要問(wèn)，游戲進(jìn)一步將去向何方？更絢麗的圖形？更快的互連速度？更龐大的虛擬世界？誠(chéng)然，隨著技術(shù)的突破游戲?qū)?huì)變得更絢、更快、更大，然而僅僅是這些么？游戲會(huì)不會(huì)在某些更加深刻的理念上得到突破呢？

對(duì)于玩家來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者事先設(shè)定的代碼或腳本往往是一段固定的程序，它限制了玩家的表現(xiàn)。雖然人們已經(jīng)能夠創(chuàng)造各種各樣逼真的畫(huà)面和栩栩如生的角色，然而游戲整體卻仍然是相對(duì)靜態(tài)的、固死的。游戲不得不按照固定的預(yù)定主線(xiàn)展開(kāi)，千篇一律的游戲情節(jié)會(huì)在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上重復(fù)，玩家只能在有限的空間中表達(dá)自己的個(gè)性。

對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，雖然他們都知道應(yīng)該給游戲添加更多的趣味性、給玩家提供更廣闊的選擇空間，但是畢竟游戲是由程序搭建的，每添加一種可變化因素就要給整個(gè)游戲世界添加大量的代碼。而且代碼的增加也使得游戲的可維護(hù)性和 Bug 調(diào)試變成了不可能的任務(wù)。

難道就沒(méi)有解決辦法了么？存在不存在一種方法在不增加設(shè)計(jì)者工作量的前提下提高游戲的可交互性、靈活性和不可預(yù)測(cè)性呢？答案是肯定的，這就是本文要講的游戲中的涌現(xiàn)。

二、涌現(xiàn)與復(fù)雜性科學(xué)

涌現(xiàn)（Emergence，動(dòng)詞 Emerge，形容詞 Emergent，國(guó)內(nèi)也有人翻譯成突現(xiàn)）目前已經(jīng)成為西方世界中的一個(gè)時(shí)髦詞匯，它雖然來(lái)源于系統(tǒng)科學(xué)，但是已經(jīng)廣泛地流行于商業(yè)界、計(jì)算機(jī)界和游戲娛樂(lè)界。然而 Emergence 一詞在引進(jìn)中國(guó)的時(shí)候卻遭到了各種各樣變態(tài)的翻譯，“緊急事件”、“浮現(xiàn)”等等千奇百怪、讓人摸不到頭腦。其實(shí)涌現(xiàn)與其說(shuō)是一種技術(shù)、方法還不如說(shuō)是一種全新的理念，是一種人們認(rèn)識(shí)客觀(guān)世界的全新的世界觀(guān)，也是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展到后信息時(shí)代的必然產(chǎn)物。所以，我們有必要追根溯源來(lái)深刻理解涌現(xiàn)的思想理念。

Emergence 一詞的提出是在 19 世紀(jì)一群生物學(xué)家們?yōu)榱嗣枋龉爬系脑侨绾握Q生于大量的無(wú)生命物質(zhì)相互作用的時(shí)候而使用的。然而，該詞的流行卻要等到20世紀(jì)后期，隨著復(fù)雜性科學(xué)的興起，Emergence 即涌現(xiàn)才得到了越來(lái)越多的關(guān)注。

隨著科技的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)可以深入到原子核的內(nèi)部研究夸克的行為，然而一味的分解并不能揭示生命如何起源、大腦如何產(chǎn)生思維等復(fù)雜系統(tǒng)中的規(guī)律。所謂復(fù)雜系統(tǒng)是指一類(lèi)由大量個(gè)體通過(guò)相互作用組成的整體，例如生態(tài)、人腦、經(jīng)濟(jì)等都是復(fù)雜系統(tǒng)，它們都不能用傳統(tǒng)的分解還原的方法來(lái)分析。

20 世紀(jì) 80 年代，在美國(guó)圣塔菲（Santa Fe）這個(gè)地方，一群離經(jīng)叛道的科學(xué)家（包括物理諾貝爾獎(jiǎng)得主、夸克之父蓋爾曼、經(jīng)濟(jì)諾貝爾獎(jiǎng)得主阿羅，遺傳算法之父霍蘭等人）成立了一個(gè)叫做圣塔菲的研究所（Santa Fe Institute）開(kāi)始正式探討復(fù)雜系統(tǒng)中的問(wèn)題，這標(biāo)志著現(xiàn)代復(fù)雜性科學(xué)（Complexity Science）的誕生。圣塔菲研究所的人們來(lái)自于科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，卻不受傳統(tǒng)觀(guān)念束縛，主張展開(kāi)一系列跨學(xué)科的研究，他們打破了學(xué)科之間的界限，力圖用一種全新的、統(tǒng)一的視角來(lái)認(rèn)識(shí)生命系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等廣泛的領(lǐng)域。他們關(guān)注的不再是每個(gè)特定領(lǐng)域的細(xì)枝末節(jié)，而是大量運(yùn)用隱喻和類(lèi)比的方法，力圖尋找不同系統(tǒng)之間的共性。

在所有這些復(fù)雜系統(tǒng)的共性中，涌現(xiàn)是一種最引人注目的普遍現(xiàn)象。所謂涌現(xiàn)，就是指系統(tǒng)中的個(gè)體遵循簡(jiǎn)單的規(guī)則，通過(guò)局部的相互作用構(gòu)成一個(gè)整體的時(shí)候，一些新的屬性或者規(guī)律就會(huì)突然一下子在系統(tǒng)層面誕生了，這個(gè)現(xiàn)象就是涌現(xiàn)。因此，涌現(xiàn)屬性或者規(guī)律并不打破個(gè)體規(guī)則，然而它卻又不能簡(jiǎn)單地用低層次的個(gè)體進(jìn)行解釋。所以，簡(jiǎn)單說(shuō)，涌現(xiàn)就可以理解為“系統(tǒng)的整體大于部分之和”。

例如，我們都知道生命無(wú)非是一大堆分子的組合產(chǎn)物，雖然每個(gè)分子都必然遵循固定的物理規(guī)律，然而當(dāng)這些分子組合到一起，并發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，原生生命卻會(huì)在整個(gè)分子群體之上誕生。突然一下子，分子構(gòu)成的系統(tǒng)整體活了，它可以為了自己的利益控制著低層次的分子個(gè)體而自主移動(dòng)，它具備了自己的生命。很顯然，在這個(gè)過(guò)程中，我們不能指望把生命還原為單個(gè)分子的物理規(guī)則，而且也并不存在某個(gè)“領(lǐng)導(dǎo)”分子給其他分子下達(dá)命令，所有的過(guò)程和奧秘都只是存在于系統(tǒng)和相互作用之中。

另外一個(gè)有趣的例子就是螞蟻。我們都知道，螞蟻的神經(jīng)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，它們只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的思考，然而當(dāng)大量的螞蟻通過(guò)相互作用的時(shí)候就會(huì)形成等級(jí)森嚴(yán)的螞蟻王國(guó)?？茖W(xué)家們指出，蟻后并沒(méi)有直接給所有的螞蟻下達(dá)命令，每只螞蟻也沒(méi)有整個(gè)螞蟻王國(guó)的地圖，然而大量螞蟻只要遵循簡(jiǎn)單的規(guī)則交互，就能夠聰明地覓食、建巢、分工等。因此，我們說(shuō)螞蟻王國(guó)是在整個(gè)蟻群之上的一種涌現(xiàn)現(xiàn)象。

復(fù)雜性科學(xué)就是研究各種自然或者人工系統(tǒng)中廣泛存在的涌現(xiàn)現(xiàn)象的，包括飛鳥(niǎo)如何聚集成群、生命如何起源、億萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元連接到一起如何產(chǎn)生智慧、東歐各國(guó)為何在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨變、“看不見(jiàn)的手”如何指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展等等幾乎無(wú)所不包。著名物理學(xué)家霍金曾經(jīng)指出，復(fù)雜性科學(xué)是一種 21 世紀(jì)的科學(xué)?？梢钥吹?，一種整體的、綜合的、涌現(xiàn)的世界觀(guān)開(kāi)始在西方科學(xué)界形成。

三、計(jì)算機(jī)中的涌現(xiàn)實(shí)例

面對(duì)自然界中這么多豐富多采的涌現(xiàn)現(xiàn)象，人們?cè)鯓舆M(jìn)行科學(xué)的認(rèn)識(shí)與分析呢？答案就在于計(jì)算機(jī)模擬（Simulation）。圣塔菲研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)天生就是一個(gè)模擬各種復(fù)雜系統(tǒng)的工具，只要正確設(shè)定一些規(guī)則，現(xiàn)實(shí)世界中大量的復(fù)雜現(xiàn)象都可以在計(jì)算機(jī)中得以重現(xiàn)。自從 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，人們就逐漸發(fā)現(xiàn)只要在機(jī)器中寫(xiě)下一些簡(jiǎn)單的程序就可以在計(jì)算機(jī)中觀(guān)察到神奇的涌現(xiàn)行為，并且這些行為往往超出了程序編制者的想象。究其原因是因?yàn)?strong>計(jì)算機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。機(jī)器中的每個(gè)小的程序都可以比擬成復(fù)雜系統(tǒng)中的個(gè)體，它們之間總會(huì)發(fā)生著錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，因此把大量的小程序放到一起的時(shí)候，就會(huì)自下而上地突然在整個(gè)系統(tǒng)層次產(chǎn)生超出人們想象的、不可預(yù)料的涌現(xiàn)行為。為了進(jìn)一步理解計(jì)算機(jī)中的涌現(xiàn)，讓我們來(lái)看看幾個(gè)著名的實(shí)例。

1. 生命游戲

計(jì)算機(jī)中最著名的涌現(xiàn)程序恐怕要數(shù)康威的“生命”游戲了。現(xiàn)在，無(wú)論是復(fù)雜性科學(xué)家、計(jì)算機(jī)程序愛(ài)好者還是游戲設(shè)計(jì)大師都愛(ài)談?wù)撨@個(gè)簡(jiǎn)單但是卻寓意豐富的模型。

1970 年，劍橋大學(xué)的約翰·康威編制了這個(gè)游戲程序，它由幾條簡(jiǎn)單的規(guī)則控制，然而組合這些規(guī)則就可以使該程序產(chǎn)生無(wú)法預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。“生命”游戲是在一個(gè)二維的方格世界上運(yùn)轉(zhuǎn)的，每一個(gè)方格可以被看作是一個(gè)小的生命體，它有兩種狀態(tài)：生存（涂成黑色）或死亡（白色）。

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圖1：生命游戲的一個(gè)分布

任意一個(gè)方格周?chē)?8 個(gè)方格稱(chēng)為它的鄰居。每個(gè)方格都會(huì)發(fā)生顏色的轉(zhuǎn)變，并且它從上一代到下一代的變化依賴(lài)于它自身的狀態(tài)以及它的 8 個(gè)最近的鄰居的狀態(tài)。這些變化遵循下面的三條簡(jiǎn)單規(guī)則：

（1） 生存：一個(gè)活的生命方格（黑色）要繼續(xù)生存（保持黑色），至少需要 2 到 3 個(gè)活的鄰居，因?yàn)樯枰渌闹С郑?/p>

（2） 死亡：然而，如果一個(gè)生命方格（黑色）的活的鄰居多于 3 個(gè)，它就死亡（黑色變成白色），因?yàn)樯馁Y源有限，過(guò)度的擁擠導(dǎo)致細(xì)胞沒(méi)有生存下去的足夠的資源；

（3） 出生：如果一個(gè)未被占據(jù)的方格（白色）恰好具有3個(gè)活的鄰居，生命就會(huì)在那里出現(xiàn)（白色變?yōu)楹谏?/p>

對(duì)每一個(gè)生命，我們根據(jù)它當(dāng)前的顏色，以及它的鄰居的顏色，運(yùn)用上面的規(guī)則，確定它下一代的顏色。所有方格同時(shí)根據(jù)這些規(guī)則從一代到下一代變化。人們很快就發(fā)現(xiàn)，根據(jù)初始條件不同，結(jié)果也非常不同。有時(shí)，游戲變化很快，所有的生命全部死亡；有時(shí)，一些細(xì)胞群體像晶體一樣固定下來(lái)，停留在一種固定的模式上不再發(fā)生變化；但大多數(shù)情況，在計(jì)算機(jī)屏幕上，你將看到各種沸騰著的結(jié)構(gòu)。例如下面的幾種瞬間的結(jié)構(gòu)：

圖2：生命游戲演化出來(lái)的一些“沸騰”的結(jié)構(gòu)

這些結(jié)構(gòu)看似隨機(jī)，但是卻有著高度的對(duì)稱(chēng)性和秩序。而且，雖然決定這些變化花紋的底層的規(guī)則是確定的，但我們卻很難預(yù)言下一時(shí)刻的圖像如何變化。這些變化的結(jié)構(gòu)仿佛正在用它自己的語(yǔ)言表達(dá)著發(fā)生在這個(gè)“方格宇宙”中的深?yuàn)W規(guī)律。

生命游戲中的一種有趣的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“滑翔機(jī)”（glider），在4個(gè)周期的一個(gè)循環(huán)中，這個(gè)小家伙會(huì)沿著對(duì)角線(xiàn)的方向在方格上爬行，轉(zhuǎn)換自己的位置，如圖：

圖3：滑行者的一步移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化

它雖然結(jié)構(gòu)輕巧，但是本事卻很大。原因是，它能夠被當(dāng)作一種信號(hào)在這個(gè)虛擬的方格宇宙中傳遞?？低赋觯@種信號(hào)傳遞機(jī)制實(shí)際上可以被用來(lái)組合構(gòu)造出非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，甚至可以建造出一臺(tái)內(nèi)嵌于“生命”游戲世界的虛擬計(jì)算機(jī)！因此，康威大膽預(yù)言，只要給我足夠大的方格空間，并等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從原則上講，“生命”游戲中可以創(chuàng)造任何你想要的東西，包括宇宙天體、進(jìn)化的生物，甚至可以撰寫(xiě) Ph.D 論文的智慧生命。從“生命”游戲的發(fā)明到今天已經(jīng)近 40 年了，然而科學(xué)家們?nèi)匀粵](méi)有弄明白其中的所有奧秘。

2. Boid

Boid 模型也是一個(gè)最早來(lái)源于復(fù)雜性科學(xué)，卻被廣泛應(yīng)用于游戲中的涌現(xiàn)模型。1986 年的時(shí)候美國(guó)人 CraigW. Reynolds 發(fā)明了一種計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬鳥(niǎo)類(lèi)群體運(yùn)動(dòng)。這個(gè)計(jì)算機(jī)模型被稱(chēng)為“Boid”。Reynolds 用計(jì)算機(jī)屏幕上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)代表鳥(niǎo)個(gè)體，這樣的一群點(diǎn)就是鳥(niǎo)類(lèi)的群體。

每個(gè)鳥(niǎo)都僅能觀(guān)察到固定范圍內(nèi)的其它鄰居 Boid，Craig 通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了只要用三條非常簡(jiǎn)單的規(guī)則就能讓計(jì)算機(jī)中的動(dòng)畫(huà)角色 Boid “活”起來(lái)，而這群 Boid 的動(dòng)態(tài)行為的確可以和真實(shí)世界中的鳥(niǎo)群行為相比擬。下面我們來(lái)具體敘述這些規(guī)則。

1）靠近

圖4：Boid的靠近規(guī)則

每個(gè) Boid 都要去盡量靠近它的鄰居所在的中心位置，如上圖示，圓心處的 Boid 是當(dāng)前的 Boid，它要盡量飛向其他鄰居位置的平均中心位置（即圖中箭頭指向的點(diǎn)）。

2）對(duì)齊

圖5：Boid的對(duì)齊規(guī)則

這條規(guī)則告訴每個(gè) Boid 飛行的方向盡量與周?chē)従拥娘w行方向保持一致。如上圖所示，如果當(dāng)前綠色的 Boid 的飛行方向是正上方，偏離了鄰居們的平均方向，它就會(huì)做細(xì)微的調(diào)整與平均的方向?qū)R。

3）避免碰撞

圖6：避免碰撞

當(dāng) Boid 與某些鄰居靠得太近的時(shí)候就會(huì)盡量避開(kāi)。如圖所示，中心的 Boid 會(huì)盡量逃避其它的 Boid 以避免碰撞。

這三條簡(jiǎn)單的規(guī)則就是 Boid 靈活飛行的秘密。我們可以把這三條規(guī)則編進(jìn)計(jì)算機(jī)程序中，這樣遵循這些規(guī)則屏幕上的動(dòng)點(diǎn)就會(huì)體現(xiàn)出活靈活現(xiàn)的類(lèi)似真實(shí)鳥(niǎo)群的飛行行為。下面是運(yùn)行 Boid 的一個(gè)例子：

圖7：Boid的群集實(shí)例

如果加入一條規(guī)則還能讓 Boid 聰明地避開(kāi)障礙物。當(dāng)一只Boid發(fā)現(xiàn)前方有障礙物的時(shí)候，就改變自己的運(yùn)動(dòng)方向盡可能避開(kāi)障礙物。我們可以把障礙物理解為一塊有排斥力的磁鐵，并且距離越近排斥力越強(qiáng)。那么 Boid 群體會(huì)很聰明地避開(kāi)障礙物并且重新組織飛行的姿態(tài)和方式，下面是一群 Boid 在飛行中避開(kāi)障礙物的實(shí)例。

圖8：躲避障礙物

Boid 群不僅能夠靈活地避開(kāi)障礙物，而且還能夠重新組織運(yùn)動(dòng)方式，本來(lái)是同一個(gè)群體的 Boid 分成了兩個(gè)群體，繼續(xù)前行。所有 Boid 的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和行為方式完全是那幾條簡(jiǎn)單的規(guī)則確定的，我們并不需要對(duì) Boid 過(guò)多的干預(yù)。

3. Tierra——進(jìn)化的數(shù)字生命

大自然中，另一種重要的涌現(xiàn)現(xiàn)象就是生物的進(jìn)化。按照現(xiàn)代進(jìn)化生物學(xué)的解釋?zhuān)绻粋€(gè)生物物種能夠完成自我繁殖，也就是把自己的基因編碼串拷貝給后代，同時(shí)在拷貝的過(guò)程中會(huì)發(fā)生小概率錯(cuò)誤形成變異，最后新生的個(gè)體會(huì)被自然選擇而篩選，那么長(zhǎng)時(shí)間看自然進(jìn)化就會(huì)發(fā)生，而且可以創(chuàng)造出各種動(dòng)植物來(lái)。這也是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，基因串的簡(jiǎn)單復(fù)制和變異能在整個(gè)生物圈涌現(xiàn)出豐富的進(jìn)化。

進(jìn)化現(xiàn)象也能在計(jì)算機(jī)中發(fā)生。Tierra 就是由 Thomas Ray 開(kāi)發(fā)的一個(gè)機(jī)器中的進(jìn)化系統(tǒng)。Tierra 是西班牙語(yǔ)中“地球”的意思，Ray這樣給他的機(jī)器進(jìn)化系統(tǒng)命名就是為了表示地球上的生物進(jìn)化現(xiàn)象完全可以被這個(gè)簡(jiǎn)單的人工創(chuàng)造物所模擬。

Ray 把機(jī)器中的一個(gè)一個(gè)小程序體比喻成生命，這些程序體可以在內(nèi)存空間中不停地進(jìn)行自我繁殖，同時(shí)在繁殖的過(guò)程中會(huì)因?yàn)殡S機(jī)數(shù)的作用而發(fā)生小概率的變異。接下來(lái)，因?yàn)槌绦蛏娴挠?jì)算機(jī)內(nèi)存空間（Ray 寧愿把內(nèi)存空間稱(chēng)為原生生物湯）是有限的，那么當(dāng)大量程序體被繁殖出來(lái)以后就會(huì)因?yàn)橄嗷ジ?jìng)爭(zhēng)生存空間而產(chǎn)生自然選擇的壓力。這樣，自我繁殖、變異、自然選擇這三個(gè)條件就能夠滿(mǎn)足機(jī)器中的程序體進(jìn)化的需要了。

1990 年 1 月 3 日，Ray 把一段人為事先設(shè)定好的只知道自我繁殖的祖先生物程序投放到了內(nèi)存“湯”中，啟動(dòng)了 Tierra。于是，祖先生物開(kāi)始復(fù)制。在復(fù)制的過(guò)程中會(huì)發(fā)生變異，隨著變異生物數(shù)量的增多，它們彼此之間就開(kāi)始了為爭(zhēng)奪內(nèi)存空間和 CPU 時(shí)間的生存競(jìng)爭(zhēng)。那些復(fù)制較快的生物一般具有較大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢栽谟邢薜?CPU 時(shí)間中較快地復(fù)制自己，從而占有更多的內(nèi)存空間。

圖9：內(nèi)存中充滿(mǎn)了程序生命體

大約運(yùn)行了幾百萬(wàn)條指令后，令人驚異的現(xiàn)象發(fā)生了。在計(jì)算機(jī)屏幕的下邊區(qū)域，一個(gè)橫柱開(kāi)始閃動(dòng)，它表示一個(gè)只有 45 條指令的生物產(chǎn)生了出來(lái)，一般小于 60 條指令的生物是不會(huì)自我復(fù)制的，什么原因呢？Ray 發(fā)現(xiàn)，原來(lái)這是一種寄生生物。因?yàn)楫?dāng)該段程序與其它生物混合在一起時(shí)，它就可以利用其它生物的復(fù)制代碼，使自己得以復(fù)制。這樣，一種寄生關(guān)系就在 Tierra 中建立起來(lái)。因?yàn)榧纳飯?zhí)行的代碼比較小，占用的 CPU 時(shí)間比較少，因此相對(duì)于完整的生物來(lái)說(shuō)增值較快，有較大的生存優(yōu)勢(shì)。

寄生生物產(chǎn)生以后對(duì)宿主不利。然而，如果哪個(gè)宿主的基因型發(fā)生突變，產(chǎn)生出對(duì)寄生生物的免疫能力，那么這種生物就會(huì)獲得新的優(yōu)勢(shì)。確實(shí)，這樣的對(duì)寄生免疫的生物在 Tierra 中進(jìn)化出來(lái)。繼寄生生物之后，免疫生物又在湯中迅速生長(zhǎng)，幾乎完全把寄生生物排除出去。

接著，又有新的令人驚奇的現(xiàn)象產(chǎn)生。Tierra 中進(jìn)化出一種新物種：超寄生生物。超寄生生物與祖先生物有相同長(zhǎng)度的指令，但后來(lái)的進(jìn)化壓力使它改變了大約四分之一的代碼。超寄生生物不停地檢查是否有寄生生物出現(xiàn)。如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)寄生生物，超寄生生物使寄生生物的 CPU 時(shí)間轉(zhuǎn)歸自己，并讓寄生生物復(fù)制自己的代碼。隨之，超寄生生物大量繁殖，最終驅(qū)使寄生生物走向滅絕。

就這樣，寄生、反寄生、超級(jí)寄生、超超級(jí)寄生、社會(huì)性寄生、共生生物群體、大規(guī)模的物種爆發(fā)、物種的大滅絕、進(jìn)化的軍備競(jìng)賽，差不多地球生態(tài)系統(tǒng)自然演化過(guò)程中的所有特征全都出現(xiàn)在 Tierra 中。

可以說(shuō)，Tierra 系統(tǒng)中程序進(jìn)化出來(lái)的種種現(xiàn)象早已經(jīng)超越了建模者的設(shè)計(jì)和想象，并且這種進(jìn)化是一種開(kāi)放式結(jié)局（Open ended evolution）的，也就是說(shuō)我們并不能看到該系統(tǒng)明確的結(jié)束地方，進(jìn)化似乎會(huì)永遠(yuǎn)不知疲倦地發(fā)生下去，Tierra 中總會(huì)誕生這樣或者那樣的物種。

四、涌現(xiàn)系統(tǒng)的共性

不難看出，上面介紹的涌現(xiàn)系統(tǒng)存在著一些共性，它們包括：

1. 感知局部環(huán)境下的簡(jiǎn)單運(yùn)算

當(dāng)我們考察“生命”游戲中的方格、Boid 中的每一個(gè)鳥(niǎo)、Tierra 中的每一個(gè)程序生命體時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們都是在感知局部環(huán)境的條件下進(jìn)行著相當(dāng)簡(jiǎn)單的運(yùn)算。也就是說(shuō)每個(gè)“生命”游戲中的方格不需要知道整個(gè)方格宇宙的運(yùn)行情況進(jìn)行顏色變化；Boid 也不需要知道整個(gè)鳥(niǎo)群的飛行動(dòng)態(tài)，而只要關(guān)心它能看到的幾個(gè)鄰居就可以了；Tierra 中的程序生物體也不會(huì)復(fù)雜到能夠探索整個(gè) Tierra 空間的所有程序。并且，這些程序真正的核心代碼都非常簡(jiǎn)單，基本上在幾百行左右。

反過(guò)來(lái)，如果給個(gè)體賦予更全局的觀(guān)察能力和過(guò)于復(fù)雜的程序，那么很有可能并不能得到涌現(xiàn)行為。例如假設(shè)讓所有 Boid 都進(jìn)行全局復(fù)雜的優(yōu)化運(yùn)算，那么它們很可能在碰到復(fù)雜障礙物地形的時(shí)候就不知道該如何行動(dòng)了，傳統(tǒng) AI 程序就很容易陷入這樣的僵死狀態(tài)。

2. 大量個(gè)體的非線(xiàn)性相互作用

產(chǎn)生涌現(xiàn)的第二個(gè)條件是需要大量個(gè)體，并且它們會(huì)發(fā)生非線(xiàn)性的相互作用。如果限定“生命”游戲中的方格數(shù)目只有 10*10，那么甚至連“滑翔機(jī)”這樣簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)都很難觀(guān)察到，因?yàn)橛锌赡堋盎铏C(jī)”剛產(chǎn)生就會(huì)淹沒(méi)到其他的結(jié)構(gòu)中。同樣，如果僅有少數(shù)的 Boid 相互作用，那么可能涌現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象并不驚人，它們更像機(jī)械的粒子；如果 Tierra 中的演化內(nèi)存空間過(guò)小，那么生物的多樣性就會(huì)很低，也就不會(huì)產(chǎn)生太多的驚奇現(xiàn)象。所以，大量的個(gè)體是一個(gè)重要因素。

也許有人會(huì)反對(duì)，大量分子組成的氣體系統(tǒng)為什么不會(huì)產(chǎn)生涌現(xiàn)行為呢？這是因?yàn)?，氣體分子之間的相互作用是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性作用，它符合牛頓力學(xué)定律，個(gè)體的相互作用可以通過(guò)簡(jiǎn)單的求和來(lái)得到整體的屬性，很多因素可以在求和的時(shí)候抵消掉。因此，相互作用必須是非線(xiàn)性的，整體屬性并不能通過(guò)線(xiàn)性求和而抵消掉。Boid 之間的相互作用就是一個(gè)很難求解的非線(xiàn)性方程，“生命”游戲中的三條簡(jiǎn)單規(guī)則也很難用線(xiàn)性數(shù)學(xué)來(lái)描述。

3. 混沌的邊緣（Edge of Chaos）

進(jìn)一步，什么樣的簡(jiǎn)單程序能夠產(chǎn)生涌現(xiàn)呢？難道任意代碼的堆砌就可以創(chuàng)造復(fù)雜么？盡管目前還沒(méi)有統(tǒng)一的答案，但是科學(xué)家們已經(jīng)找到了產(chǎn)生涌現(xiàn)行為的系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的一些條件，其中混沌的邊緣就是最重要的條件之一。

所有的涌現(xiàn)系統(tǒng)中的個(gè)體規(guī)則都介于混沌和秩序的邊緣。如果我們把混沌的力量看作一種破壞系統(tǒng)的張力，而秩序的力量看作是阻止破壞、形成有序結(jié)構(gòu)的凝聚力，那么只有當(dāng)兩種力量相互斗爭(zhēng)平衡的時(shí)候，系統(tǒng)才剛好能夠發(fā)生涌現(xiàn)，并創(chuàng)造層出不窮的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

例如“生命”游戲中的細(xì)胞變換規(guī)則蘊(yùn)含了每 9 個(gè)方格中恰恰有 3 個(gè)左右的黑色方格才能導(dǎo)致新的黑方格的誕生，假如更改規(guī)則為鄰居中有 7 個(gè)或者 1 個(gè)黑格就產(chǎn)生新的黑格，那么整體程序會(huì)很快處于死一般的寂靜或者是過(guò)于混亂的情況，有意義的花紋不再產(chǎn)生了；Boid 中每只鳥(niǎo)必須要和它的鄰居保持恰到好處的相對(duì)位置，既不能靠得太近從而導(dǎo)致所有鳥(niǎo)都按照同樣的軌跡飛行，也不能離得太遠(yuǎn)變成了一群沒(méi)有關(guān)聯(lián)的粒子；Tierrav 中的各種計(jì)算機(jī)程序在繁殖的時(shí)候必須按照一定的小概率進(jìn)行變異，如果沒(méi)有變異，那么所有的程序?qū)⑹亲嫦瘸绦虻臒o(wú)意義拷貝而不再有新意，如果變異過(guò)于頻繁，那么這些程序?qū)?huì)變成一鍋混濁的程序湯而失去了有意義的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所以，涌現(xiàn)必然發(fā)生在混沌和秩序的邊緣狀態(tài)。

五、游戲中的涌現(xiàn)

游戲與復(fù)雜系統(tǒng)中的涌現(xiàn)存在著深刻的聯(lián)系。一方面，計(jì)算機(jī)中的涌現(xiàn)模型本身就像是一種大自然自己玩的計(jì)算機(jī)游戲；另一方面，每一個(gè)計(jì)算機(jī)游戲無(wú)非都是大量相對(duì)簡(jiǎn)單的代碼構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，它本身蘊(yùn)藏著涌現(xiàn)可能發(fā)生的條件。事實(shí)上，近年來(lái)游戲業(yè)流行的自生性游戲（Emergent game-play）一詞已經(jīng)說(shuō)明游戲與涌現(xiàn)的結(jié)合勢(shì)在必行。

由于所有的涌現(xiàn)系統(tǒng)都強(qiáng)調(diào)用簡(jiǎn)單的規(guī)則通過(guò)相互作用而產(chǎn)生復(fù)雜的行為，那么從簡(jiǎn)單規(guī)則出發(fā)，設(shè)計(jì)者將有可能用很小的工作量就創(chuàng)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。另一方面，涌現(xiàn)現(xiàn)象本身就蘊(yùn)含著不可預(yù)測(cè)性、不確定性，因此，這給玩家?guī)?lái)了更多的可能性，它們將會(huì)更容易的沉浸在游戲世界中，并且用游戲豐富的涌現(xiàn)性來(lái)表達(dá)自己。

那么，游戲和涌現(xiàn)將具體如何結(jié)合呢？這主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)層面：

1. 技術(shù)層面

復(fù)雜性科學(xué)已經(jīng)提出了很多豐富多彩的計(jì)算機(jī)模型，包括細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、人工生命、遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等，這些技術(shù)幾乎都找到了游戲中的應(yīng)用空間。

對(duì)“生命”游戲的進(jìn)一步抽象會(huì)發(fā)現(xiàn)，它是一個(gè)在空間和時(shí)間都離散的系統(tǒng)，這樣的“方格”模型被科學(xué)家們統(tǒng)稱(chēng)為細(xì)胞自動(dòng)機(jī)（或稱(chēng)元胞自動(dòng)機(jī)，Cellular Automata）。人們可以通過(guò)變換細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的規(guī)則、狀態(tài)數(shù)目等因素來(lái)探索包括生命、物理、甚至包括社會(huì)和金融、地理等非常廣闊的領(lǐng)域。著名模擬類(lèi)游戲《模擬城市》就是根據(jù)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的思想而設(shè)計(jì)的。目前，應(yīng)用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型設(shè)計(jì)涌現(xiàn)游戲已經(jīng)被證明是一條非常簡(jiǎn)單、方便的道路。

略微更改 Boid 的三條規(guī)則還能夠創(chuàng)造更加豐富的群集現(xiàn)象，例如魚(yú)群的游蕩、昆蟲(chóng)的飛舞等等。目前，這種動(dòng)物群集模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)和游戲中。例如，《海底總動(dòng)員》中栩栩如生的魚(yú)群、《矩陣 III: 革命》中蜂擁而至的機(jī)器烏賊都是運(yùn)用該技術(shù)創(chuàng)作的動(dòng)畫(huà)佳作?！栋霔l命2》、《主題醫(yī)院》、《敵對(duì)民族（Enemy Nations）》等等都利用群集技術(shù)模擬逼真的群體行為，甚至像《虛幻（Unreal）》這樣的商業(yè)引擎都已經(jīng)內(nèi)嵌了群集的代碼。

人工生命（Artificial Life）是利用計(jì)算機(jī)模擬自然中的生命現(xiàn)象的一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)分支，Tierra 就是一個(gè)典型的人工生命模型。將類(lèi)似自主、進(jìn)化等生物能力賦予計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再是科幻。例如《模擬人生》、《DNA》等游戲就使用了程序進(jìn)化的技術(shù)。與傳統(tǒng)的AI方法不同，人工生命技術(shù)將賦予NPC更加靈活多變的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。

2. 設(shè)計(jì)層面

不僅在單個(gè)的技術(shù)層面，游戲的設(shè)計(jì)也要特別重視游戲的涌現(xiàn)性。因此，游戲設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量減少對(duì)玩家的干預(yù)。而是給人們提供一個(gè)虛擬世界的平臺(tái)，讓玩家可以根據(jù)自己的興趣愛(ài)好來(lái)搭建自己的網(wǎng)絡(luò)家園，允許玩家通過(guò)游戲涌現(xiàn)各種玩法?！兜诙松⊿econd Life）》被譽(yù)為是自生性游戲的經(jīng)典，它僅僅給玩家提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交互的物理平臺(tái)，并沒(méi)有規(guī)定游戲的內(nèi)容，而是讓大量玩家通過(guò)交互自發(fā)產(chǎn)生內(nèi)容和故事。

混沌邊緣的概念是對(duì)游戲設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的啟示，游戲系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成剛好處于混沌邊緣的狀態(tài)。也就是說(shuō)游戲應(yīng)該能夠讓玩家在尋找規(guī)律、形成秩序的前提下引入一些變化、不確定、隨機(jī)的因素剛好破壞這種秩序和平衡，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜的動(dòng)態(tài)。

開(kāi)放式結(jié)局（Open ended）是目前很多游戲追求的另一種特性。游戲不再是沿著固定死的故事主線(xiàn)展開(kāi)而是會(huì)隨著玩家玩游戲的成長(zhǎng)經(jīng)歷而不斷適應(yīng)、變化的結(jié)果。所以，游戲的結(jié)局不再固定，而是存在著各種各樣的可能性?！睹郎倥畨?mèng)工場(chǎng)》就是一個(gè)開(kāi)放式結(jié)局的游戲，因?yàn)槊總€(gè)玩家培養(yǎng)出的女孩都會(huì)有完全不同的結(jié)局。總之，涌現(xiàn)游戲往往能夠給玩家提供更多的可選擇空間。

3. 網(wǎng)絡(luò)層面

上面提到的兩種層面上的涌現(xiàn)仍然沒(méi)有逃離單個(gè)計(jì)算機(jī)的限制。而隨著網(wǎng)絡(luò)的興起，一種新的涌現(xiàn)方式將會(huì)浮出水面。如果我們把眼光擴(kuò)大到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的互動(dòng)游戲世界，那么每個(gè)進(jìn)入這個(gè)游戲世界中的玩家就相當(dāng)于整個(gè)游戲世界里的一個(gè)細(xì)胞或者一個(gè)神經(jīng)元，成千上萬(wàn)的玩家通過(guò)網(wǎng)絡(luò)媒介形成大規(guī)模的互動(dòng)就好比細(xì)胞或者神經(jīng)元之間的聯(lián)系與交互，那么可以想象，這種交互必然會(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的層面形成某種宏觀(guān)的涌現(xiàn)現(xiàn)象，很有可能形成新的網(wǎng)絡(luò)生命個(gè)體甚至產(chǎn)生意識(shí)。然而，就好像每只螞蟻并不知道整個(gè)螞蟻社會(huì)是如何存在的一樣，每個(gè)玩家細(xì)胞并不會(huì)意識(shí)到涌現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)層面的生命如何影響了每個(gè)玩家。

“全球腦”（Global Brain）是如今最奇特的一個(gè)科學(xué)猜想，少數(shù)瘋狂科學(xué)家們認(rèn)為，Internet網(wǎng)絡(luò)正在全球范圍逐漸形成一個(gè)大腦，各種通信網(wǎng)絡(luò)就好比是人體內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣深入到人類(lèi)社會(huì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。進(jìn)一步，隨著 Internet 網(wǎng)絡(luò)，尤其是網(wǎng)絡(luò)游戲的深入發(fā)展，將很有可能導(dǎo)致“全球腦”的覺(jué)醒，這個(gè)時(shí)候，全球腦將會(huì)形成自己的意識(shí)……

參考讀物：

[1] 沃爾德羅普，陳玲譯: 復(fù)雜：誕生于秩序和混沌邊緣的科學(xué). 北京:三聯(lián)書(shū)店, 1997

[2] 約翰.霍蘭,周曉牧等譯: 隱秩序--適應(yīng)性造就復(fù)雜性. 上海:上?？萍冀逃霭嫔? 2000-8

[3] 約翰.卡斯蒂(著),王千祥(譯): 虛實(shí)世界--計(jì)算機(jī)仿真如何改變科學(xué)的疆域. 上?？萍冀逃霭嫔纾?998

[4] 李建會(huì)，張江：數(shù)字創(chuàng)世紀(jì)——人工生命的新科學(xué)，科學(xué)出版社，2006.1

[5] 集智俱樂(lè)部：科學(xué)的極致——漫談人工智能，人民郵電出版社，2015.7

[6] Salen, Katie: Rules of play, MIT Press，2004

[7] 彼德.羅素：地球腦的覺(jué)醒——進(jìn)化的下一次飛躍，黑龍江人民出版社

推薦網(wǎng)站：

[1] Life32 是一個(gè)玩“生命”游戲的最佳平臺(tái)，下載地址

[2] 關(guān)于 Boid 的網(wǎng)站

[3] 關(guān)于 Tierra 的網(wǎng)站