Artificial Life - künstliches Leben

Titelbild : Phantasievolle Umsetzung eines »Tierra-Tierchens«

Hier sind erstmal ein paar Zitate, welche das Thema betreffen und ein wenig zum Nachdenken anregen:

"Man geht davon aus, dass ein künstliches Lebewesen nicht einfach leben kann, ohne dass es etwas will oder irgend etwas anstrebt. Es wird also Motive haben. [...] Natürlich haben Gefühle und Motive etwas mit dem Körper zu tun, aber was für einen Körper man hat, ist weitgehend gleichgültig. [...] Künstliche Seelen können körperliche Bedürfnisse haben, nur sind sie von anderer Art. Das Konzept der Informationsverarbeitung basiert eben darauf, dass der materielle Träger gleichgültig und daher austauschbar ist. [...]"

"Mit der Entwicklung von Roboterpopulationen, neuronalen Netzen und virtuellen Agenten ist einige Jahre später die Diskussion um die Möglichkeit der Bewusstseinsemergenz bei künstlichen Lebewesen noch nicht vollständig ausgetragen, hat jedoch mehr und mehr der realen Auseinandersetzung mit dem Problem der technischen Realisierbarkeit Platz gemacht."

"Im Zentrum des Interesses steht nicht mehr nur die Intelligenz einer Maschine, vielmehr soll erreicht werden, dass sie autonomes, "menschenähnliches" Verhalten aufweist, wobei der Schwerpunkt der Bewusstseinsforschung auf der Simulation gefühlsähnlicher Zustände, menschlichen Emotionen und Motiven vergleichbar, liegt."

(D. Dörner http://www01.ix.de/tp/deutsch/special/robo/6211/1.html )

Mr. Spock: Ich bin kein Mensch.

Kaptain Kirk: Wir sind doch alle Menschen.

Mr. Spock: Ich finde diese Aussage beleidigend.

Inhalt:

Was ist Alife?

Typische Beispiele:

- TIERRA

- GAME OF LIVE

- TECHNOSPHERE

- VIRTUAL ANTS

- PARTY PLANER

Was ist nun das besondere an Alife?

Eine Maschine als Gehirn?

Was ist eigentlich Intelligenz?

Ist das nun eine künstliche Seele?

Links

Was ist Alife?

Alife ist eine Abkürzung für artificial life, also künstliches Leben. Als Forschungsgebiet ist alife erst etwa 10 Jahre alt, steckt also noch in den Kinderschuhen.

Die ursprüngliche Idee war, mit Hilfe von Computern künstliches Leben zu kreieren. Man will mit artificial life das Leben von Grund auf erforschen und die Evolution im Rechner nachahmen, also biologische Prozesse auf dem Computer ablaufen lassen.

Wenn Lebewesen biologische DNA sind, die die Evolution im Laufe der Jahrmilliarden hervorgebracht hat, wieso soll das der Computer nicht koennen? Wenn das Leben im Prinzip 'nur' Information ist, wieso soll nicht ein Computer mit solcher Information etwas ähnliches wie Leben schaffen (berechnen) können!

Das Gebiet ist so vielfaeltig, dass es mittlerweile verschiedene Definitionen von alife gibt. Einige Gebiete sind selbstregulierende Systeme, genetische Algorithmen, neuronale Netze, evolvierende Hardware/Software etc.

TIERRA

Bei Tierra sind die selbstreplizierenden Einheiten Maschinencodeprogramme, die nur Kopien von sich selbst im RAM-Speicher des Computers anlegen. So wird der Maschinencode zu einem Analogon des auf Nucleinsäuren basierenden genetischen Codes des organischen Lebens.

Die Replikation der Programme geschieht durch deren Ausführung durch die CPU (zentrale Recheneinheit) des Computers. Daher stellt die CPU-Zeit ein Analogon der Energie dar, die den Metabolismus (Stoffwechsel) des organischen Lebens abbildet.

Die Maschinencodeprogramme belegen im RAM-Speicher Platz, weswegen der Speicher ein Analogon des materiellen Raums des organischen Lebens darstellt. Jedes Programm "besitzt" den Speicherplatz, den es belegt, und hat das ausschließliche Recht, etwas in seinen Speicherplatz hineinzuschreiben. Aber jeder Prozeß kann die Maschineninstruktionen in jedem Teil des Speichers lesen oder ausführen. Folglich steht das Teilprivileg für den vom Programm belegten Raum als Analogon für eine halbdurchlässige Membran, die die organischen Zellen umgibt und zum Teil die interne chemische Struktur vor Störungen aus der Umwelt schützt.

Genetische Variation wird in die Population der replizierenden Programme durch zufällig sich verändernden Bits im Maschinencode eingeführt. Das ist ein Analogon der Mutationen, bei denen Nucleinsäuren in der DNS-Kette des organischen Lebens ersetzt werden.

Zusätzliches Rauschen kommt in Form gelegentlicher Fehler bei den Berechnungen durch die CPU in das System. Wenn die CPU beispielsweise zwei Zahlen addieren sollte, tritt manchmal ein falsches Ergebnis auf, das mit plus oder minus eins vom richtigen abweicht. Wenn die CPU alle Bits in einem Verzeichnis eine Position nach links rückt, werden die Bits manchmal zwei Positionen oder überhaupt nicht verschoben. Wenn Information zwischen zwei Orten bewegt wird, dann stammt sie manchmal fälschlicherweise von einem benachbarten Ort oder geht zu einem solchen. Diese unregelmäßig auftretenden Berechnungsfehler sind ein Analogon der chemischen Nebenprodukte des metabolischen Prozesses, der im Inneren der lebendigen organischen Zellen stattfinden. Diese Irrtümer sind keine genetischen Veränderungen, aber sie können dazu führen.

Wenn der Speicher eines Computers voll wird, beginnt das darwinistische Betriebssystem ältere oder stärker beschädigte Programme zu löschen, um Platz für die Geburt der nächsten Generation zu schaffen. Das Löschen eines Prozesses durch das Betriebssystem ist das Analogon des Todes.

Die Computerwelt wird mit einem einzigen digitalen Organismus als "Urahne" geimpft. Es ist ein Maschinencodeprogramm mit 80 Bytes, das sich zuerst selbst prüft, um seine Größe und seinen Ort im Speicher festzulegen. Es weist dann seinem Kind einen freien Speicherplatz zu, indem es das Speicherverwaltungssystem des darwinistischen Betriebssystems benutzt. Dann kopiert es Byte für Byte seinen Code von sich auf das Kind. Nach der Replikation entläßt es das Kindprogramm als einen unabhängigen Prozeß.

http://www.hip.atr.co.jp/~ray/tierra/tierra.html

GAME OF LIFE

Das Game of Life von John Conway ist eines der bekanntesten Programme, die »Leben« auf dem Rechner simulieren. In der UR-Version handelt es sich dabei um einfache »Zellen«, die in einer zwei-dimensionalen diskreten Welt entstehen, überleben und auch wieder verschwinden können. Das Leben der Zellen ist dabei in Zyklen getaktet oder rundenbasiert.

Dabei gelten folgende Naturgesetze:

1. Schöpfung: Die zweidimensionale Welt ist zunächst leer. Der Gott ( Programmierer) gibt dann eine Urbevölkerung von Zellen vor.

2. Sterben . Hat eine Zelle im aktuellen Zyklus weniger als zwei oder mehr als drei Nachbarn ( es gilt die 8er-Nachbarschaft) , so stibt sie und ist im daraufflogenden Zyklus verschwunden.

3. Nachwuchs : Ist eine leere Position in der Zellenwelt in einem Zyklus von genau drei Zellen umgeben, so entsteht im darauffolgenden Zyklus an dieser Position eine neue Zelle.

4. : Ueberleben: Ist eine Zelle im aktuellen Zyklus von zwei oder drei Nachbarn umgeben so über-lebt sie und ist im folgenden Zyklus noch vorhanden.

http://www.whimsey.com/Life.html

TECHNOSPHERE

"TechnoSphere" ist ein im Internet angesiedelter 3D-Simulator künstlichen Lebens und erlaubt es Menschen, ihre eigenen Geschöpfe zu erschaffen, mit ihnen zu kommunizieren, sie beim Heran-wachsen, bei ihrer Entwicklung und schließlich bei ihrem Sterben zu beobachten. Über das WWW-Interface können neue Lebensformen geschaffen und im System registriert werden, außerdem können Daten über diese Lebewesen eingeholt werden.

Das Artificial-Life-Environment ist ein 3D-Programm, das die künstlichen Lebensformen speichert und ihre Interaktion mit anderen Lebewesen und der Umwelt berechnet (und in 3D modelliert). Es unterstützt die Reproduktion und Entwicklung von Lebensformen. Vom Web-Server kommende Benutzeranfragen werden hier bearbeitet, und die relevanten Daten werden an die Rendering-Maschine sowie den E-Mail-Server weitergeleitet. Die künstlichen Lebensformen sie können Fleisch- oder Pflanzenfresser sein wachsen, suchen nach Futter und Partnern, jagen einander und flüchten, sie bringen Nachkommen hervor, die Varianten ihrer Elterntiere sind.

Die Simulation umfaßt die Umwelt (ein 16 km2 großes gebirgiges Terrain mit größeren Ebenen), die Tiere und die Vegetation. Es ist möglich, innerhalb von "TechnoSphere" verschiedene Arten von Vegetation zu schaffen, derzeit ist allerdings nur eine installiert. Die Tiere teilen sich in Fleisch- und Pflanzenfresser. Auch hier gäbe es die Möglichkeit, mehrere spezialisierte Untergruppen zu erstellen, derzeit sind nur zwei für das Publikum zugänglich. Die grasenden Tiere verbringen ihr Leben auf der Suche nach Nahrung und Partnern und flüchten vor der unstillbaren Gier der Raubtiere. Sie suchen sich andere grasende Tiere als Partner, die ja auch in den meisten Fällen eine gewisse äußerliche Ähnlichkeit aufweisen. Das Leben eines Raubtiers verläuft ähnlich, nur mit dem Unterschied, daß es versucht, Grasfresser als Beute zu erlegen.

Die Tiere können entweder direkt von den Usern erstellt werden, oder sie entstehen als Nachwuchs von bereits existierenden Lebewesen. Sie beginnen ihr Leben als Jungtier, altern und sterben schließlich, wobei sie wiederum den Fleischfressern als Nahrung dienen. Das intelligente Environment ermöglicht auch die Fortpflanzung, wobei der Nachwuchs eine Mischung der Eigenschaften beider Elternteile annimmt. Die so entstehenden Tiere beginnen ihren Zyklus als Föten, werden nach einer bestimmten Tragezeit geworfen und entwickeln sich dann weiter. Wenn der Kadaver eines gestorbenen Tieres entweder aufgefressen oder verrottet ist, wird die Information über das Tier aus dem System gelöscht.

Jedes von einem User geschaffene Tier wird nach der E-Mail-Adresse des Schöpfers benannt. Diese vererbt sich auf die Jungen, deren Nachwuchs und so weiter. Auf diese Weise werden die User über ihre Lebewesen und deren Nachkommenschaft auf dem laufenden gehalten, ohne daß ein weiteres Eingreifen erforderlich wäre.

"TechnoSphere" ist den meisten Internet-Usern vom Kindesalter bis zu Forschern ein Begriff, es ist weltweit attraktiv und auf keine Altersgruppe beschränkt. Ein Anliegen ist es, durch die Verwendung der Interface-Werkzeuge den User näher an die virtuelle Welt zu bringen. Die Benutzer erhalten in den Schlüsselmomenten im Leben ihrer Kreaturen über E-Mail die Aufforderung, sich doch mittels der Online-Tools die Situation näher anzusehen. Die Kreaturen leben bis zu drei Monate lang, wobei sie durchschnittlich eine E-Mail am Tag an ihren Schöpfer senden. Diese langfristige und doch unmittelbare Beziehung zwischen Schöpfer und Geschöpf hat sich als sehr populär erwiesen.

"TechnoSphere" hat weltweit 100.000 User. In einer typischen 10-Tage-Periode wird im WWW auf "TechnoSphere" rund 750.000 Mal zugegriffen, es liefert rund zwei Gigabytes an Information an 40.000 Benutzer.

http://www.technosphere.org.uk/

Aber auch :

VIRTUAL ANTS

Die ersten künstlichen Ameisen stammen von Christopher Gale Langton, der eine Zellularautomatensimulation programmierte die ´VANTS´ (von ´virtual ants´) hieß. Diese Simualtion baute auf wenigen einfachen Grundregeln auf. Die Ameisen waren V-förmig und bewegten sich in Richtung ihrer Spitze auf einem Gitter aus quadratischen Zellen. Wenn eine Ameise auf ein farbloses Feld kam, bewegte sie sich einfach weiter geradeaus. Kam sie auf eine blaue Zelle drehte sie sich nach rechts und änderte die Farbe der unterliegenden Zelle von Blau nach Gelb und bewegte sich dann weiter geradeaus. Wenn sie eine gelbe Zelle betrat, drehte sie sich nach links, änderte die Farbe der Zelle von Gelb nach Blau und bewegte sich weiter geradeaus.
Wenn sich mehrere Ameisen auf dem Gitter bewegten, dann ähnelte ihr Verhalten stark dem Verhalten echter Ameisen die Pheromonpfade zur Nahrungsquelle anlegen. Die Vants schienen miteinander zu kommunizieren und bildeten spiralförmige Ameisenstraßen.

http://www.runet.edu/~dana/ca/examples/vants/vants.html

PARTY PLANER

gelungene Party dank vorausschauender Simulation

Was ist nun das besondere an Artificial Life ?

Eine Frage, die sich nicht mit exakt beantworten läßt und etwas seltsam ist, da doch viele Artificial Life Systeme Systeme sind, die programmiert werden müssen, und somit eigentlich genau zu erklären sein müssten!

Man sucht nach einer Antwort, die aber nur subjektiv gegebebn werden kann, da sie aus der Sicht eines Menschen gemacht wird. Zusätzlich ist es nicht möglich eine Antwort zu geben, die korrekt ist unter allen Definitionen der verwendeten Begriffe. Die Antwort ist desshalb eher als Versuch oder Gedankenspiel gedacht und weniger als eine mustergültige definitive Tatsache.

Für KI-Forscher gelten menschliche Emotionen als Schlüssel zu Intelligenzleistungen und helfen offenbar dem Gehirn, seine Gedächnisinhalte zu organisieren.

Doch was macht Intelligenz oder gar Kreativität aus? Kann man sagen, dass das Gehirn nichts anderes ist, als ein organischer Computer ? Was macht dann einzelne Menschen zu Ausnahmeerscheinungen? Wieso haben dann einzelne Menschen überragende Intelligenz wie z.B. Shakespeare, Beethoven oder Einstein. Wieso gibt es dann Genies. Entwicklungspsychologen bestreiten immer mehr die These vom angeborenen Talent. Selbstdisziplin, Ausdauer, Ehrgeiz und konzentriertes Üben sind für den Erfolg wichtiger als Intelligenz und Erbgut. Wenn Zweijährige hüpfen oder auf Mauern balancieren, verdanken sie dies dem zweijährigen Dauertraining, das im Kleinhirn komplizierte Bewegungsprogramme gespeichert hat, die dann wie selbstverständlich abgerufen werden.

Aber schon die künstliche Objektwahrnehmung und Mustererkennung zeigen, wie schwierig es ist, mit Maschinen so "natürliche" Tätigkeiten wie das Sehen zu imitieren. Eigenschaften von Objekten wie Gestalt, Textur oder Farbe müssen erfaßt, Kantenverhältnisse analysiert, die Tiefenwahrnehmung berücksichtigt werden usw. Noch schwieriger werden die Verhältnisse bei Lernprozessen oder der Sprache.

Im Gehirn verteilen sich die von den Sinnesorganen aufgenommenen Informationen innerhalb der verschiedenen Hirnzentren auf Myriaden von Nervenzellen, deren jede einen Rand oder eine Form, eine Bewegung, Farbe, Lichtstärke oder räumliche Plazierung erkennt. So entsteht aufgrund von Sehen, Hören, Tasten, Schmecken und Riechen sowie interner Signale (Gedächtnis, Emotion) ein Gesamtbild. Das menschliche Gehirn muß die Verarbeitung und Koordination von Millionen von Bits bewältigen, die pro Sekunde von außen eintreffen und sich auf Hunderte Millionen von Nervenzellen verteilen. Hieraus soll ein bewußtes Bild des Geschehens entstehen, und dies soll ständig funktionieren. Wie müsste man aber eine Maschine bauen, um allen diesen Ansprüchen zu genügen?

Ein Maschine als Gehirn?

1948 legte John von Neumann in einem Vortrag mit dem Titel "On the General and Logical Theory of Automata" die Grundlagen einer funktionalen Theorie des Lebens. Er postulierte die Grundsätze für die Konstruktion einer Maschine, die imstande wäre, in einer mit den dafür notwendigen Rohstoffen ausgestatteten Umwelt sich selbst nachzubauen. Ein solches sich selbst reproduzierendes Objekt, ein "Zellularautomat", enthält vier wesentliche Komponenten: " einen Bauplan, eine Fabrik, einen Kontrolleur sowie eine Dupliziermaschine. Im Fall der organischen Zelle sind dies die DNA , der Vorgang der Translation, die Replikase-Enzyme und der Prozeß der Replikation. Neumann erwartete dies für jede Lebensform geltenden Eigenschaften fünf Jahre vor den Arbeiten von Watson und Crick, die sich mit dem Spezialfall des heute auf der Erde anzutreffenden Lebens beschäftigten. Die entschiedenen Funktionen des Lebens stehen immer im dirkten Zusammenhang mit den verschiedenen Umwelten (materiell oder energetisch). Leben ist vorstellbar auf der Basis von Kohlenstoff, Silizium, elektromagnetischen Feldern, Gravitationsfeldern oder kristallinen Strukturen. Leben wäre auch denkbar als Simulation im Computer, wie John Conways Spiel "Life": Die Ausgangsform ist eine Reihe von vier Zellen. Jede dieser Zellen überprüft ihre Nachbarzellen und sich selbst, danach wird aufgrund der einfachen Regeln des Spiels bestimmt, ob diese Zelle in der nächsten Generation lebt oder stirbt. Aus der Anfangskonfiguration entwickeln sich je nach der Umwelt verschiedene Lebensmuster.

Allerdings ist das Gehirn ist mehr als ein algorithmisch arbeitender Computer. Angst und Furcht sind manchmal genauso wichtig für eine Entscheidung wie die Logik. Und manchmal ist eben der Instinkt der menschlichen Logik einen Schritt voraus.

"Ist es denn nicht "offensichtlich", dass bloßes Berechnen weder Lust noch Schmerz hervorrufen kann; dass es weder Poesie wahrzunehmen vermag noch die Schönheit eines Abendhimmels [...]; dass es nicht imstande ist, einen echten, autonomen Zweck zu verfolgen?"

(Penrose, Computerdenken, Die Debatte um Künstliche Intelligenz, Bewußtsein und die Gesetze der Physik, Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg, 1991)

Was ist eigentlich Intelligenz?

Wenn man über Künstliche Intelligenz spricht, muß man die natürliche Intelligenz kennen. Wie definieren Sie Intelligenz?

In der KI-Forschung gibt es erstaunlicherweise keinen Intelligenzbegriff. Man definiert Künstliche Intelligenz als Forschungsgebiet, in dem man Computersysteme mit Fähigkeiten baut, von denen man annimmt, dass Menschen dazu Intelligenz brauchen. Was menschliche Intelligenz ist, bleibt offen. Eine andere Definition bringt uns auch nicht viel weiter. Demnach ist KI das Teilgebiet der Informatik, welches Maschinen als symbolverarbeitende Systeme realisieren möchte, die den Turing-Test bestehen.

Der Turing-Test ist nach dem englischen Mathematiker Alan M. Turing benannt. Dieser entwickelte in den 40er Jahren einen Test, mit dem man eine Maschine auf ihre Intelligenz prüfen kann. Dabei befragt eine Versuchsperson per Tastatur zwei Gesprächspartner, die sie nicht sehen kann. Von ihnen ist einer ein Computer, der andere ein Mensch. Die Antworten bekommt die Versuchsperson ausgedruckt. Kann die Versuchsperson bei einem Gespräch über alltägliche Dinge keinen Unterschied zwischen Mensch und Computer feststellen, gilt der Turing-Test für die Maschine als bestanden.

Egal wie man jetzt Intelligenz definiert, wichtig ist dabei nur, zu erkunden, wie der Mensch "intelligent" geworden ist, um diesen Vorgang z.B. auf Computer zu übertragen.

Warum konnten wir Menschen es als Art in der Evolution gar nicht vermeiden, intelligent zu werden? Das Gehirn ist der Sitz unserer Intelligenz und unserer Seele. Es braucht fast ein Drittel des Blutsauerstoffs. Warum investiert der Mensch aber in ein so aufwendiges Organ, während andere Tiere Muskelkraft, Schnelligkeit oder besondere Sensorik entwickelten? Eine Antwort lautet: Die Evolution investierte in die Vielfalt von Verhaltensweisen. Dieses Repertoire ist nicht vollständig vorbestimmt durch die Gene, sondern muß in der Lebensgeschichte eines Individuums erworben werden.

Das nennen wir Lernen. Wir sind außerdem soziale Wesen, können nicht ohne andere Menschen überleben. Daraus kann man schliessen, daß wir Menschen ein komplexes Gehirn ausgebildet haben, um komplexe soziale Verhaltensweisen vorauszusagen. Daraus ist dann das Phänomen Intelligenz entstanden.

Aber eine einfache Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Reiz und Reaktion reicht nicht aus, um menschliches Verhalten zu erklären. Man kann nicht nur den Input und den Output anzusehen. Man muß zudem noch wissen, welche Gedanken, Gefühle und Motive Menschen leiten.

Diese sind aber nicht beobachtbar und schon gar nicht meßbar. Man muß sie indirekt versuchen zu erkennen oder erfragen. Es ist also besonders schwierig, menschliches Verhalten oder menschliche Intelligenz auf dem Computer zu simuliern, da sie von sovielen Dingen und Emotionen beeinflusst werden. Und vorallem: Wie programmiert man eine Seele?

Ist das nun eine "künstliche Seele"?

Der Mensch hat versucht, Theorien über das eigene Verhalten aufgestellt und Annahmen über Berechnungsvorschriften für psychische Prozesse gemacht und probiert, diese Annahmen zu überprüfen. Psychische Prozesse können sich also innerhalb des Computers abspielen. Doch was hat man, wenn man psychische Prozesse simuliert? Ein Computer mit Gefühl, oder sogar eine "künstliche Seele"?. Aber von einem "fühlenden Computer" kann heute noch keine Rede sein. Zum Gefühl gehört das bewusste erleben dazu und unsere Computer heute sind sich ihrer Selbst (noch) nicht bewußt.

Was passiert, wenn man annimmt, man hätte unbegrenzte "Rechenpower" und man würde folgendes Experiment durchführen, welcheszeigt, welche Mühe es uns bereitet, wenn es darum geht, anderen Menschen, Lebewesen oder allgemein Dingen, Gefühle zuzuschreiben. Man stelle sich vor, unsere Computer würden nicht in körperloser Form in ihrer Silicium-Umwelt agieren, sondern ihr "psychisches System" ist eingebaut in einen Roboter. Man stelle sich weiter vor, dieser Roboter könnte sich in unserer realen Umwelt bewegen, wir hätten also direkten Kontakt mit dem Gerät. Hätte dieser Roboter nun die Möglichkeit, seinen Gefühlen in menschenähnlicher Weise Ausdruck zu verleihen, würde er in Gefahrensituationen panikartig die Flucht ergreifen, sich zurückziehen und seine Umgebung mißtrauisch genau betrachten, hätte er ein Bedürfnis nach Zuneigung und würde er Dinge tun, um sich anschließend mit Streicheleinheiten belohnen zu lassen, würde man dann nicht zögern, ihm den Akku auszubauen oder ihn an Ressourcenmangel "sterben" zu lassen?

"Dein Gehirn ist ein materielles Objekt. Das Verhalten materieller Objekte wird durch die Gesetze der Physik beschrieben. Die Gesetze der Physik können auf einem Computer modelliert werden. Also kann das Verhalten deines Gehirns auf einem Computer simuliert werden",

(Penrose, Computerdenken, Die Debatte um Künstliche Intelligenz, Bewußtsein und die Gesetze der Physik, Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg, 1991)

Links :

http://ls11-www.informatik.uni-dortmund.de/people/dittrich/talks/dortmund98.html

http://alife.santafe.edu/

http://gracco.irmkant.rm.cnr.it/luigi/lupa_algames_app.html

http://www.webslave.dircon.co.uk/alife/links.html

http://www.ants.de

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