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

  • 南通:光储行业跑出“中国速度”

  • 叙利亚两辆巴士相撞致35人死亡

独家策划

推荐阅读
国家药监局近日批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。该药为原创靶点、新机制罕见病治疗药物,在中国、美国、日本、欧盟同步申报,我国率先完成审批,实现全球“首报首发”的历史性突破。
2026-07-24 08:55
记者从市场监管总局了解到,国际电工委员会智能制造系统委员会近日发布IEC SRD 63459:2026《智能制造用例模板》国际标准。为此,国际电工委员会智能制造系统委员会于2019年成立首个工作组,组织各国专家制定国际统一的智能制造用例模板,以统一的方式描述、存储和使用用例。
2026-07-24 08:51
23日20时,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭,成功将天链二号06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-07-24 08:50
王虹、邓煜与其他两位数学家共同获得菲尔兹奖,这是令国人振奋的消息,也是中国数学家感到自豪的时刻。邓煜的另一项研究,是与合作者成功建立了三维波动方程吉布斯测度的不变性,将概率论方法系统性地引入波动方程研究。
2026-07-24 08:49
记者从北京大学获悉,2026年国际数学家大会23日在美国费城开幕。王虹,本科就读于北京大学数学科学学院,获理学学士学位;2014年相继取得巴黎综合理工学院工程师学位与巴黎-萨克雷大学硕士学位;后于麻省理工学院完成博士学位。
2026-07-24 08:48
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
重离子加速器是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,研究中产生的新知识、技术和方法被广泛应用于航天、医疗、农业等多个领域。
2026-07-22 09:26
无法驶出的化肥运输船,迟迟不散的热浪,突然生效的出口禁令……近期,一系列事件叠加,或许正给全球粮食安全带来显著不确定性。
2026-07-21 03:40
拔尖创新人才作为国家战略科技力量的核心支撑,其培育成效直接关系到高水平科技自立自强的进程。科学教育是拔尖创新人才培养的基础工程,必须把握青少年成长的关键期,构建全链条、一体化的科学教育新生态,推动教育、科技、人才深度融合,为强国建设筑牢人才根基。
2026-07-21 03:40
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革,正深刻重塑产业形态与劳动方式,职业教育作为对接产业最紧密的教育类型,面临的根本性问题已不再是如何培养标准化、重复性的熟练操作者,而是要回答人机协同时代究竟需要什么样的高技能人才。
2026-07-21 03:40
暑假已至,以中小学生为主力的研学游市场持续升温。外出研学已成为不少中小学生家庭的假期常规安排。家长往往将研学活动视作教育由家庭、学校向社会课堂的延伸,是学校教育的重要补充。
2026-07-21 03:40
毕业论文AI率检测,已成为无数大学毕业生关心的热点话题。AI工具引发的学术不端如何界定?为规避高AI率而拆解论文、打乱表达的无奈如何化解?AI检测产品缺少国家标准、质量参差不齐的困局如何突破?这些追问,热度居高不下,答案却远未清晰。
2026-07-21 03:40
加载更多