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

  • 第九届数字中国建设峰会在福建福州举行

  • “五一”临近 “高铁快运”助力宠物出行

独家策划

推荐阅读
加强基础研究,建设科技强国的必由之路。
2026-04-30 16:22
“AI投毒”“控评”“互踩”“人肉”“开盒”“算法黑箱”……AI时代,面对这些媒介乱象,该如何约束?
2026-04-30 09:02
近日,国家市场监管总局与教育部联合发布全国首批“专业与标准化教育融合试点单位”名单,位于江苏苏州太仓市的苏州健雄职业技术学院入选。如今,苏州健雄职业技术学院立足太仓“德企之乡”的实际需求,建校20余年来为太仓560余家德企直接输送技能人才或提供相关培训。
2026-04-30 08:59
西出世界屋脊,东汇百川入海,长江绵延6300多公里,滋养了源远流长的中华文明,哺育着勤劳勇敢的中华儿女。“各民主党派中央、无党派人士积极开展长江生态环境保护民主监督,立足实际,各展优长,推动中共中央有关决策部署落实到位。
2026-04-30 08:56
“刚出厂的机器人如同懵懂孩童,需要在数据喂养与场景训练中不断成长。”  他告诉记者,目前训练场的训练内容覆盖现代农业、工业制造、医疗康养等6大领域,精准对接12大产业、27个应用场景。
2026-04-30 08:55
2025年度全国十大考古新发现29日在北京揭晓,吉林东部长白山旧石器时代遗址群、河南新郑裴李岗遗址、河北宣化郑家沟遗址、甘肃庆阳南佐遗址、山西昔阳钟村遗址、河南郑州商城遗址、陕西富平长春遗址、山东青岛琅琊台遗址、浙江绍兴越国都城和汉六朝会稽郡遗址、宁夏贺兰苏峪口瓷窑址上榜。
2026-04-30 08:54
2010年,舒易来获得赴美国哈佛大学麻省眼耳医院联合培养的机会,在该院陈正一教授课题组继续开展耳聋治疗研究。2014年,舒易来带着最前沿的基因编辑理念回到复旦大学附属眼耳鼻喉科医院,继续探索耳聋治疗的新方法。
2026-04-29 10:43
一张4厘米见方、6微米厚的薄膜贴附于大脑功能区表面的硬脑膜外,就能采集到大脑信号。“北脑一号”已在研究者发起的临床研究中完成7例患者植入手术,器械在人体内累计工作时长超4.5万小时,初步验证产品的安全有效性。
2026-04-29 10:38
生物医药基础科研水平大幅提升。据统计,2023年,中国学者在生物医药领域三家全球顶尖学术刊物《细胞》《自然》《科学》发表的文章数量,跃升至全球第二,仅次于美国。在评选出的“2024年医疗界十大临床突破”中,有四项来自中国。
2026-04-29 10:33
乘坐自动扶梯时,很多人有“左行右立”的习惯:右侧站立,左侧留给赶路行人。可如果“左行”撞到了“右立”,还造成了一定损失,要担责吗?近期,上海铁路运输法院审结了一起相关案件。
2026-04-29 10:27
4月27日,农业法修订草案提交十四届全国人大常委会第二十二次会议审议。为突出耕地等农业资源保护和农业绿色发展,草案将现行农业法第八章“农业资源与农业环境保护”分为“土地等农业资源保护”“农业绿色发展”两章。
2026-04-29 10:13
教育部今天(28日)发布《普通高等学校本科专业目录(2026年)》,共新增38种普通高校本科新专业。本次获批申办高校可纳入2026年高考招生。
2026-04-28 11:22
目前,本科专业目录共涵盖13个门类、92个专业类、883种专业。
2026-04-28 11:20
中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队近日成功克隆了调控小麦分枝与主茎之间角度的关键基因,并揭示了其平衡调控小麦“站姿”的分子机制。
2026-04-28 10:01
作为牵头用户,生态环境部已有8颗环境和大气系列卫星在轨运行,还可统筹调用140余颗民商卫星数据资源。
2026-04-28 10:00
西南大学徐洛浩、刘海平教授团队联合德国科学院院士阿克塞尔·迈尔开展攻关,成功破解相关科学难题。
2026-04-28 09:59
人工智能的崛起为人类社会开启了变革的新纪元,深刻重塑着我们生活与生产的各个方面。而作为文明传承与思维锻造的核心路径,阅读在这一浪潮中经历着前所未有的影响与重构。
2026-04-28 09:57
透视农业农村经济“开门红”,其背后是国家战略引领、政策有力支持和市场社会力量的协同发力。
2026-04-28 09:46
外商投资安全审查工作机制办公室(国家发展改革委)依法依规对外资收购Manus项目作出禁止投资决定,要求当事人撤销该收购交易。
2026-04-27 16:54
当前,具身智能产业站在商业落地的临界点,一场从“炫技”到“干活”的务实转向正在悄然发生。
2026-04-27 15:39
加载更多