纠缠的生命与代码：协同生物数字系统的计算设计分类法

文献标题

Entangled Life and Code: A Computational Design Taxonomy for Synergistic Bio-Digital Systems ✱

出版信息

• 主题领域: 生物数字系统的计算设计，整合活体生物与数字组件。
• 关键词: 生物数字系统、计算分类法、再生设计、微生物、人机交互、生物设计、生物计算、数字界面、生态恢复、混合系统。

背景与问题

• 问题/挑战: 生物数字系统通常将活体生物限制为单向角色（如传感器或执行器），而非支持互惠的计算合作关系。现有框架未能提供跨生物学与计算视角的共享术语。
• 重要性: 协同的生物数字系统可以促进生态恢复，减少电子废弃物，并通过利用生物的适应性和数字的精确性实现可持续计算。
• 动机与相关工作: 人机交互和理论生物学中的现有框架已探索生物数字整合，但缺乏可操作的指导来实现互惠的计算角色。目前系统通常将生物体简化为单功能组件，未能充分挖掘其更广泛的计算潜力。

解决方案

• 提出的方法: 针对生物数字系统的计算设计分类法，包括八个功能层：输入、转换、评估/比较、路由/选择、记忆/状态、适应、输出和供能。
• 创新点:
  1. 一个忠实于生物学且可操作于计算领域的分类法，连接生物学与计算。
  2. 使用分类法分析70个生物数字系统，以识别计算角色和空白。
  3. 创建一个开源数据库和交互式可视化平台，用于探索生物数字系统。
  4. 识别设计机会，促进更丰富、互惠的生物数字合作关系。
• 方法与关键技术:
  • 基于信息处理理论、控制论和计算机架构的原则制定分类法。
  • 使用分类法对生物数字系统进行编码和分析，以识别计算角色、空间和时间特性以及生物体与数字组件的交互。
  • 开发交互式可视化平台，揭示生物数字系统设计中的模式和空白。

结果

• 具体发现:
  • 49%的系统将生物体用于转换功能，而高级角色如记忆（2个系统）和适应（1个系统）较为罕见。
  • 数字组件主要充当输入提供者（50%）或输出翻译器（39%），对生物计算的支持有限。
  • 生物输出集中在电信号（36%）、运动（27%）和生长（27%），化学输出使用率较低（3个系统）。
• 相较基线的优势: 分类法将广泛的计算概念分解为可操作的层级，揭示未充分探索的角色，并支持协同生物数字系统的系统化设计。
• 实验/评估:
  • 数据集: 从学术数据库、综述论文、书籍和作品集中收集的70个基于微生物的生物数字系统。
  • 评估指标: 计算角色、空间和时间特性、生物体与数字组件的交互。
  • 可视化: Sankey图表突出显示生物数字系统设计中的密集和稀疏区域。
• 局限性与未来工作:
  • 当前分类法可能限制对无数字类比的独特生物机制的探索。
  • 尚未探索其对基于植物的系统和更大生态规模的适用性。
  • 未来版本应纳入伦理维度，如生物体的自主性和同意问题。

总结

本文提出了一种针对生物数字系统的计算设计分类法，支持系统性探索生物与数字组件的计算角色。对70个系统的分析揭示了生物体与数字组件合作关系中的不对称性以及未充分利用的生物能力，如记忆和适应。分类法及其配套的可视化平台突出了设计机会，促进符合再生设计原则的更丰富、互惠的生物数字系统。未来工作将致力于优化分类法，扩大其适用范围，并解决生物数字系统设计中的伦理问题。