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

  • 中国“雪鹰601”飞机翱翔南极

  • 中国“赫哲族伊玛堪”转入人类非遗代表作名录

独家策划

推荐阅读
新华社北京12月12日电 由中央网信办主办的2025中国正能量网络精品征集展播活动12日启动。
2025-12-12 13:08
记者11日从中国科学院微小卫星创新研究院(以下简称“卫星创新院”)获悉,轻舟货运飞船初样件已完成多项关键技术验证,进入整体测试阶段。
2025-12-12 09:55
近日,中国石油大庆古龙陆相页岩油国家级示范区年产量突破100万吨,实现页岩油规模化效益开采。
2025-12-12 09:50
2026年1月1日起,我国将禁止生产含汞体温计和含汞血压计。
2025-12-12 09:48
11日,中国科学院紫金山天文台“银河画卷”(MWISP)巡天计划(以下简称“巡天计划”)正式向全球公开首批毫米波分子谱线观测数据。
2025-12-12 09:47
截至12月9日24时,哈密—重庆±800千伏特高压直流输电工程(以下简称“疆电入渝”工程)自今年6月10日投运以来,累计外送电量已达101.2亿千瓦时。
2025-12-12 09:45
加快培育壮大数据产业,以区域协同数智化发展带动数据产业集群、数字产业集群做大做强。以兼顾标准互认、质量保障和安全可信的制度体系,护航数据产品服务流通交易、变现增值。数字经济具有数据资源依赖度高、技术知识人才密集、高融合渗透性及行业覆盖面广等特点。
2025-12-11 10:16
光明日报西宁12月10日电 记者万玛加、王雯静日前从国网青海省电力公司获悉,青海电力交易中心与北京电力交易中心、吉林电力交易中心“三网”联动,共同达成跨省跨区中长期外送电力交易,交易电量自12月8日起执行至31日止,累计交易电量1876万千瓦时。
2025-12-11 10:15
2020年12月,科技部在苏州高新区等13家国家高新区启动首批试点,探索实施“创新积分制”,对企业创新能力进行量化评价,引导金融机构精准支持科技创新。联动实施“创新积分制”和科技创新专项担保计划,累计向21家银行推荐超过17万家科技型中小企业,签订贷款合同超2900亿元……
2025-12-11 10:15
2025年12月10日12时03分,中科宇航力箭一号遥十一运载火箭在东风商业航天创新试验区发射,将9颗卫星精准送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。此次发射的卫星中,阿联酋813卫星是由上海微小卫星工程中心承研的高光谱地球观测卫星,搭载高光谱相机、全色相机及大气偏振校正仪等主载荷。
2025-12-11 10:05
12月9日,记者从中国科协获悉,中国科协生命科学学会联合体(以下简称“联合体”)发布了2025年度“中国生命科学十大进展”,6个知识创新类和4个技术创新类项目成果入选。
2025-12-11 10:02
“向精准要价值”,是一场从技术导向到需求导向的深刻转型。
2025-12-10 14:00
近十几年来,罗二仓团队聚焦采用环保工质,如氦气、氩气、氮气等绿色工质的热声斯特林技术,研发具有广阔应用前景的新一代热泵技术。
2025-12-10 09:39
中国科学院生物物理研究所徐涛院士课题组与纪伟研究员课题组研制出三维干涉定位显微镜(ROSE-3D),首次在单分子定位成像领域,实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。
2025-12-10 09:38
“细胞壁是质膜外具有一定硬度和弹性的细胞结构,广泛存在于植物、细菌和真菌中。随着研究逐渐深入,团队发现,在植物茎顶端干细胞区域,细胞壁的主要成分果胶呈现独特的“二元分布”模式。
2025-12-10 09:37
指令长张陆时隔两年半再度漫步太空,航天员武飞成为我国目前执行出舱任务最年轻的航天员。
2025-12-10 09:35
我国首个国家级陆相页岩油示范区——新疆吉木萨尔国家级陆相页岩油示范区9日完成年度170万吨原油生产任务,这一成果标志着国家级示范工程建设任务全面完成。
2025-12-10 09:34
一些不法商家钻监管漏洞,推出所谓“智驾神器”规避车辆安全监控,不仅严重威胁道路交通安全,更触碰了法律红线,扰乱了新能源汽车产业的健康发展秩序。
2025-12-09 10:11
一项新研究揭示了这些天体表面下可能发生的活动,为了解其多样地质特征的形成机制提供了线索。相关研究成果近日发表于《自然-天文学》。
2025-12-09 10:02
实验结果显示,将化合物注射给抑郁模型小鼠后,仅1小时便可观察到显著的抗抑郁效果,且无明显副作用。
2025-12-09 10:01
加载更多