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自我組織

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200 °C水熱處理過程中微米級Nb3O7(OH)立方體的自我組織。最初的無定形立方體逐漸轉變為結晶納米線的有序3D網格,如下面的模型所示。[1]

自我組織(英語:self-organization),在社會科學中也稱為自發秩序spontaneous order),是指一種過程,這種過程中,最初的無序系統中各部分之間局部相互作用,形成了某種形式的整體秩序。當能量供給充足時,該過程無需任何外部主體控制即可自發進行。它通常由看似隨機的波動觸發,並經由正反饋放大。由此產生的組織是完全分散的,分佈在系統的所有組成成分中。因此,這種組織往往是穩健的,能夠經受重大干擾並自我修復。混沌理論根據大量混亂的不可預測性中的可預測性孤島來討論自我組織。

自我組織發生在許多物理化學生物機械人認知系統中。自我組織的例子有結晶、流體的熱對流化學振盪器英語Chemical oscillator、動物集群神經迴路黑市

概述

自我組織可在非平衡過程的物理現象,以及化學反應中實現[2],在反應中通常稱作自組裝。這一概念在生物學中,從分子到生態系統水平也均有應用。[3]許多其他學科的文獻也給出了自我組織行為的案例,包括自然科學社會科學(如經濟學人類學)。元胞自動機等數學系統中也能觀察到自我組織現象。[4]自我組織是湧現這一概念的一個例子。[5]

自我組織依賴於四個基本要素:[6]

  1. 強動態非線性,通常(但未必)涉及正反饋負反饋
  2. 開發與探索的平衡
  3. 組分之間的多重相互作用
  4. 能量的輸入(克服增的自然趨勢,或自由能的損失)

原理

控制論者威廉·羅斯·艾什比於1947年提出了自我組織的最初的原理則。[7][8]原理指出,任何確定性動力系統都會自發向平衡狀態演化,這種平衡狀態可以視為周圍狀態域中的吸引子。一旦到達那裏,系統接下來的發展就被限制在吸引子中。這種約束意味着其構成組件或子系統之間存在一種相互依賴或協調的形式。用艾什比的話來說,每個子系統都適應了所有其他子系統構成的環境。[7]

控制論者海因茨·馮·福斯特於1960年提出了「從雜訊產生秩序」的原理。[9]該原理指出,隨機干擾(「雜訊」)會促進自我組織,使系統在其狀態空間中探索各種狀態。這增加了系統到達「強」或「深」吸引域的機會,然後從那裏迅速進入吸引子本身。生物物理學家亨利·阿特蘭英語Henri Atlan提出「從雜訊產生複雜性」原理(法語:le principe de complexité par le bruit[10][11][12],發展了這一概念, 他首先是在1972年出版的L'organisation biologique et la théorie de l'information一書中,然後是在1979年出版的Entre le cristal et la fumée一書中提出了「從雜訊產生複雜性」。物理學家兼化學家伊利亞·普里高津提出了一個類似的原理,稱為「來自波動的秩序」[13]或「來自混沌的秩序」。[14]它被應用於問題求解機器學習模擬退火方法中。[15]

參見

參考文獻

  1. ^ Betzler, S. B.; Wisnet, A.; Breitbach, B.; Mitterbauer, C.; Weickert, J.; Schmidt-Mende, L.; Scheu, C. Template-free synthesis of novel, highly-ordered 3D hierarchical Nb3O7(OH) superstructures with semiconductive and photoactive properties (PDF). Journal of Materials Chemistry A. 2014, 2 (30): 12005. doi:10.1039/C4TA02202E可免費查閱. 
  2. ^ Glansdorff, P., Prigogine, I. (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, London: Wiley-Interscience ISBN 0-471-30280-5
  3. ^ Compare: Camazine, Scott. Self-organization in Biological Systems. Princeton studies in complexity reprint. Princeton University Press. 20032003 [2016-04-05]. ISBN 978-0-691-11624-2. 
  4. ^ Ilachinski, Andrew. Cellular Automata: A Discrete Universe. World Scientific. 2001: 2472001. ISBN 978-981-238-183-5. We have already seen ample evidence for what is arguably the single most impressive general property of CA, namely their capacity for self-organization 
  5. ^ Feltz, Bernard; et al. Self-organization and Emergence in Life Sciences. 2006: 1. ISBN 978-1-4020-3916-4. 
  6. ^ Bonabeau, Eric; Dorigo, Marco; Theraulaz, Guy. Swarm intelligence: from natural to artificial systems. OUP. 1999: 9–11. ISBN 978-0-19-513159-8. 
  7. ^ 7.0 7.1 Ashby, W. R. Principles of the Self-Organizing Dynamic System. The Journal of General Psychology. 1947, 37 (2): 125–28. PMID 20270223. doi:10.1080/00221309.1947.9918144. 
  8. ^ Ashby, W. R. (1962). "Principles of the self-organizing system"頁面存檔備份,存於互聯網檔案館), pp. 255–78 in Principles of Self-Organization. Heinz von Foerster and George W. Zopf, Jr. (eds.) U.S. Office of Naval Research.
  9. ^ Von Foerster, H. (1960). "On self-organizing systems and their environments"頁面存檔備份,存於互聯網檔案館), pp. 31–50 in Self-organizing systems. M.C. Yovits and S. Cameron (eds.), Pergamon Press, London
  10. ^ See occurrences頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) on Google Books.
  11. ^ See occurrences頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) on Google Books.
  12. ^ François, Charles (編). International Encyclopedia of Systems and Cybernetics 2nd. Berlin: Walter de Gruyter. 2011: 107. ISBN 978-3-11-096801-9. 
  13. ^ Nicolis, G. and Prigogine, I. (1977). Self-organization in nonequilibrium systems: From dissipative structures to order through fluctuations. Wiley, New York.
  14. ^ Prigogine, I. and Stengers, I. (1984). Order out of chaos: Man's new dialogue with nature. Bantam Books.
  15. ^ Ahmed, Furqan; Tirkkonen, Olav. Simulated annealing variants for self-organized resource allocation in small cell networks. Applied Soft Computing. January 2016, 38: 762–70. S2CID 10126852. doi:10.1016/j.asoc.2015.10.028. 

延伸閱讀

外部連結