点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:当进化论遇到算法,可以用来做什么?
首页> 光明科普云> 图文 > 正文

当进化论遇到算法,可以用来做什么?

来源:蝌蚪五线谱2023-03-01 19:35

  大家都知道植物和动物的进化

  但你知道

  工程师也可以利用这种自然过程

  来发明东西吗?

  动物和植物在艰难复杂的环境中

  需要不断进化来适应

  正所谓物竞天择,适者生存

  图源:摄图网

  长期以来,生物学家一直在研究进化是如何运作的,而数学家和计算机科学家与生物学家合作,创建了可以改进设计的计算机程序,来帮助工程师发明东西——这被称为进化优化算法,它们可以用来设计更快的飞机、更坚固的桥梁,甚至更好的游戏。

  到底什么是进化?

  进化是我们用来描述植物和动物在很长一段时间内如何变化的词。

  比如,一个孩子会有点像他的父母。也许孩子和母亲有一样的头发颜色,和父亲一样高。这种相似性在代际之间的传递被称为遗传。

  孩子和父母之间也会有细微的差异,可能是更大的鼻子或者更好的视力。这些差异被称为突变。

  图源:摄图网

  在自然界中,微小的突变可能意味着动植物的生与死之间的差异。例如,如果两匹斑马正在逃离一只正在寻找午餐的狮子,那么跑得最快的将是逃脱并幸存下来的那只。幸存的斑马将能够生下后代,可能会继承父母的奔跑速度。快速斑马宝宝也更有可能生存并自己生孩子,因此随着时间的推移,斑马种群将成为快速奔跑者。这个过程就是自然选择。

  物种进化是为了在他们的环境中生存,这是遗传、突变和自然选择的结合。

  生物以惊人的方式进化,做着不可思议的事情——从可以改变颜色以躲避捕食者的飞蛾到可以通过皮肤喝水的蜥蜴。

  那么,我们能否利用这些来自大自然的想法来创造发明?

  进化优化算法

  关于这个问题,有几位计算机科学家提出了进化优化算法的想法。

  在1950年到1960年之间,进化优化算法可用于各种事情,例如设计飞机,在视频游戏中构建关卡,甚至创作艺术。

  现在,让我们想象我们正在尝试设计一座桥:

  首先,我们需要设定一个目标。例如我们希望桥梁尽可能多地承受重量。一旦确定了目标,我们就可以比较两种桥梁设计——哪个是能承载最重的那个,哪个就更好。

  下一步是创建一些起始桥接设计。这可以用计算机随机完成,或者我们可以花一些时间自己设计它们。通过在计算机上运行仿真,我们可以预测每个桥梁设计可以承受多少重量。利用这些信息,我们可以根据设计的质量对设计进行排序。

  一旦我们知道哪些设计可以承受最大的重量,我们就可以选择他们作为“父母”——类似于自然界中的情况,还记得吗?只有最快的斑马才能生孩子。

  当然,桥梁实际上不可能有“孩子”,但科学家可以编写计算机程序,能够将两种好的设计结合起来,产生一个新的“孩子”设计,共享“父母”双方的特征。

  不断使用继承和突变生成新的设计,然后对这些新设计进行仿真,确定哪些设计最好,然后重复该过程。所有这些都是由计算机自动完成的。在很长一段时间内,可能是几周或几个月,就能找到越来越好的桥梁设计。

  进化优化算法的优缺点当我们需要设计新的东西并且不知道从哪里开始时,进化优化算法非常有用。

  然而,进化优化算法存在随机性,这种随机性导致一些工程师不信任进化优化算法,随机性还意味着设计人员需要多次运行进化优化算法,以确保他们获得最佳设计。反复运行进化优化算法可能需要很长时间,甚至比经验丰富的工程师坐下来自己设计一些东西所需的时间还要长。

  图源:摄图网

  在某些情况下,进化优化算法会挣扎。例如通常要考虑的目标不止一个,添加更多目标意味着进化优化算法需要更长的时间才能找到解决方案。

  进化优化算法需要花费数小时来“进化”出好的设计,而工程师只需花费几秒钟就能意识到仿真是错误的,当这种情况发生时,科学家和工程师需要修复错误。因此,虽然进化优化算法是有用的工具,但它们永远不会取代人类设计师。

  参考文献:

  [1]米切尔M,泰勒C. E. 1999 进化计算:概述

  [2]霍恩比,格洛布斯,林登,D.罗恩,J. 2006 自动天线设计与进化算法 莱斯顿弗吉尼亚州:美国航空航天研究所

  [3]J.文森莱克,S.沃尔顿,B.埃文斯,2021 这是旅程而不是目的地:构建从业者可以信任的遗传算法

  [4]王帅发,郑金华,胡建杰等.自适应偏好半径划分区域的多目标进化方法 .软件学报,2017 ,28(10) :2704-2721)

  [5]邱飞岳,吴裕市,邱启仓,王丽萍 .基于双极偏好占优的高维目标进化算法 .软件学报,2013 ,24(3) :476-489)

  [6]巩敦卫,刘益萍,孙晓燕等 .基于目标分解的高维多目标并 行进化优化方法. 自动化学报,2015 ,41(8) :1438-1451

  END

  作者:崔旭翔 青岛科技大学

  审核专家:陈明威 青岛科技大学机电学院

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西藏和平解放75周年丨高原逐绿电 西藏大力发展清洁能源

  • “两山”理念与美丽中国|杭州中小微水体治理的硬核实践

独家策划

推荐阅读
记者从农业农村部获悉,截至5月28日17时,各地已收夏粮小麦4897万亩、当日机收面积超过1000万亩,今年全国“三夏”大规模小麦机收全面展开。
2026-05-29 09:11
垦利10-2油田位于渤海南部海域,探明原油地质储量超1亿吨,是渤海湾盆地凹陷带浅层发现的首个亿吨级岩性油田。中国海油天津公司工程技术作业中心相关负责人介绍:“垦利10-2油田钻完井作业面临井型多、层系多、开发方式多等‘三多’难点。
2026-05-29 09:09
早上8时许,四川省南充市高坪区走马镇姜家祠村村民姜萧将孩子送到村委会“农忙托管班”。为解决农忙季小孩看护缺位问题,姜家祠村因地制宜开设季节性公益“农忙托管班”,为村内适龄儿童提供免费集中托管服务。
2026-05-29 09:06
中国卫星导航定位协会近日发布《2026中国北斗时空产业发展白皮书》。所谓“北斗时空产业”,是以北斗卫星导航系统为核心,深度融合遥感地理信息、移动通信等多种技术手段的综合性产业体系。
2026-05-29 09:02
据中国载人航天工程办公室消息,神舟二十一号和神舟二十三号航天员乘组于28日进行交接仪式,两个乘组移交了中国空间站的钥匙。
2026-05-29 08:52
  人工智能(AI)正以前所未有的速度重塑着教育形态。放眼全球,AI与教育深度融合已不是“未来时”,而是汹涌澎湃的“现在进行时”。在这场由硅基智慧引发的教育革命面前,世界各国都在“大显身手”,基于各自特有的文化背景、教育传统与国家发展战略定位,在“AI+教育”的实施路径上展现出“百花齐放”之势。
2026-05-28 02:10
  当前,我国科普阅读需求呈现出高意愿、高黏性、高集中度的特点。调研显示,成人科普图书核心读者以36岁以上成熟群体为主,占比达82%,女性读者占62%,绝大多数为本科学历以上,企业技术人员、教育科研工作者、都市职场人构成消费主力。超过六成读者每周阅读三次以上,近三分之一年均阅读10本以上,阅读稳定性显著高于其他大众图书。
2026-05-28 02:10
站在河北沧州南皮县乌马营镇徐和杨村的航丰家庭农场地头,放眼望去,成方连片的小麦已泛起嫩黄,一派“小满未满,将熟未熟”的景象。
2026-05-28 02:00
中国社会科学院考古研究所(中国历史研究院考古研究所)27日发布最新成果。2025年9月至今,考古研究所已出版考古报告13部,专著、学术资料、科普读物13部,图录、论文集、数据集8部,中英文顶级、权威期刊上的简报、论文30余篇,并积极建设实验室集刊平台。
2026-05-28 02:00
27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-28 01:40
在提交毕业论文终稿的最后时刻,辽宁省某高校教育学专业研二学生宋耘(化名)还是选择了求助某“专门降论文AIGC(人工智能生成内容)率”的商家。
2026-05-28 01:40
中国卫星导航定位协会近日发布的《2026中国北斗时空产业发展白皮书》显示,2025年,北斗时空产业总产值达到13323亿元。北斗核心产品持续迭代升级,芯片、模组等基础产品小型化、低功耗、高精度水平不断提升,国内主流手机北斗定位精度持续优化,为产业规模化应用奠定了坚实的技术基础。
2026-05-27 09:36
5月27日0时16分,我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭,成功将通信技术试验卫星二十四号发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-05-27 09:26
“十五五”规划纲要提出,投资于物和投资于人紧密结合。
2026-05-27 03:00
大屏幕上的数字快速跳动。十几轮激烈竞逐后,最终定格在212.4万元,成交!这是日前记者在湖北碳排放权交易中心电子竞价大厅看到的一幕。
2026-05-27 03:10
检测AI率,目的是维护学术研究的严肃性公平性,督促学生遵守学术规范、产出原创成果。然而,在现实操作中,一系列困扰学生乃至老师、学校的问题接连显露。
2026-05-27 02:50
位于北京大兴区的长子营湿地公园,草木葱茏,水面澄澈,鸟鸣声清脆悦耳,勾勒出一幅生机盎然的生态画卷。
2026-05-26 09:24
我国虽然核电铀燃料对外依存度高,但钍资源储量丰富,目前探明钍储量位居世界第二。以钍作核燃料不仅符合我国资源禀赋,甚至可能改变未来全球能源格局。
2026-05-26 09:18
我国已累计发布1750项食品安全标准,涉及2万多个指标,覆盖340多种食品类别,持续完善科学严谨、好用管用的食品安全标准体系。
2026-05-26 09:11
入汛以来,全国平均降水量达110.1毫米,较常年同期偏多18.6%。从空间分布来看,我国南北方均出现降水量较常年同期明显偏多区域。
2026-05-26 09:11
加载更多