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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 皇岗口岸正式开通运行

  • 第140届广交会开幕在即 首期布展工作有序进行

独家策划

推荐阅读
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
高校辅导员队伍建设要把握高校思政工作的“变”与“不变”,着眼于增强辅导员对人工智能的趋势感知力、技术理解力、实践创新力和伦理判断力,将政策理念、形势挑战、技术发展、实践案例相结合,精心设计课程,切实增强人工智能赋能质效,全时空陪伴“数字一代”。
2026-10-13 09:57
今年10月12日,是我国首批国家公园设立五周年。五年来,各国家公园统筹推进山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,实施栖息地修复、生态廊道连通、人为活动管控等系列举措,区域生态本底持续巩固。
2026-10-13 09:51
巴山蜀水,苍茫山林间,大熊猫安然栖息,川金丝猴、珙桐等同域珍稀动植物共生于此。多年前,栖息地面积缩减一度令大熊猫濒临灭绝;圈养大熊猫也长期面临繁殖难、育幼难等难题,维系大熊猫种群数量极为不易。
2026-10-12 10:09
近年来,河北省唐山市丰南区积极调整农业结构,引导农户发展特色农业,通过“南果北移”“南苗北育”模式,引进优良甘蔗品种种植,促进农业增效农民增收。图为10月11日,唐山市丰南区黄各庄镇宣庄六街的农民在田间收获甘蔗。
2026-10-12 10:08
加拿大外长阿南德也表示,北极在关键矿产、能源、交通等方面拥有巨大潜力,但关键在于要让“当地人受益”。赵隆指出,特朗普2025年重返白宫后美国再度退出《巴黎协定》,加深了其与盟友在气候政策上的分歧。
2026-10-12 10:07
6时30分起,各类等待审核、签发的预报预警材料堆满了陈涛的案头;一个半小时后,全国天气会商准时开始,陈涛快步走上首席预报发言岗位——多方预报意见不断交汇,最终产生预报结论。
2026-10-12 10:07
搭载“蛟龙”号载人潜水器的“深海一号”船近日从福建厦门起航,赴南太平洋执行中国大洋100航次第二航段科学考察,这也是“蛟龙”号首次在南太平洋开展调查作业。
2026-10-10 07:18
日前,中央网信办通报该专项行动第二阶段工作成效,累计清理违法违规信息561万余条,查处账号4.9万余个,处置违规网站、应用程序等2400余个。
2026-10-10 07:16
在台风“扎堆”出现的状态中,有一个“巧合”引起广泛关注:今年第9号台风“巴威”、第13号台风“白海豚”、第18号台风“沙德尔”相继登陆浙江省台州市玉环市坎门街道,上演罕见的台风登陆“帽子戏法”,创下新的华东沿海台风登陆气象纪录。
2026-10-10 07:15
近年来,我国持续强化危险化学品应急救援队伍建设。目前,全国已建成580支、4.1万余人的危险化学品应急救援队伍,国家层面建成45支国家级危险化学品应急救援队伍,基本实现重点化工区域、重大风险点位应急救援力量全覆盖,应急快速响应、就近高效处置能力不断提升。
2026-10-10 07:09
看着货架上让人眼花缭乱的食品,你会怎么挑?相信不少人都会第一时间翻看配料表。事实上,配料表的长短可不是“安全标尺”,并不和食品品质挂钩;同样,食品添加剂的种类繁多,也并不意味着有害和超标——
2026-10-10 07:06
记者邓晖从清华大学获悉,该校物理系丁世谦团队近日利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光,以及与合作团队共同研制的掺钍-229氟化钙晶体,实现钍-229核跃迁吸收光谱测量,并将激光频率稳定锁定至核跃迁,实现核光钟运行。
2026-10-09 10:02
获嘉县艳阳天农业服务专业合作社理事长徐方子站在试验田的地头,轻点手机屏幕,电动阀应声开启,水肥顺着滴灌管线精准送达每一株玉米根部。从“会种地”到“慧种地”,从中原粮仓到国人餐桌,河南把创新嵌进农业家底里,让老把式用上新技术,让泥土地长出新生意。
2026-10-09 10:03
国家卫生健康委、国家发展改革委近日印发《医疗康复护理扩容提升工程实施方案》。根据方案,“十五五”期间,原则上支持每个省份建设至少1个康复或护理临床重点专科,省级、设区的市级临床重点专科建设向康复、护理专业倾斜。
2026-10-09 10:05
题:新就业形态劳动者权益保障新规回应哪些关切 随着依托互联网平台就业的新就业形态劳动者数量持续增长,新就业形态劳动者权益保障办法将着力保障该群体合法权益,推动新就业形态健康发展。
2026-10-09 10:07
作为区域性的综合农业服务枢纽,现代农事综合服务中心可以统筹农技、农资、农机、加工、物流、销售等服务能力。“十五五”期间,数字乡村、智慧农业既要持续加强技术研发,也要更加重视通过完善的服务体系把数字化、智能化能力送到田间地头。
2026-10-09 10:11
9月24日,江苏苏州太仓市沙溪镇虹桥村连片稻田里,晚稻正值灌浆关键期,预计10月下旬即可开镰秋收。自此,太仓全市366台粮食烘干设备实现清洁热源100%全覆盖,秋粮归仓的“最后一公里”即将全程用上绿能。
2026-10-09 10:14
加载更多