进化计算-人工进化作为科学工具

在过去的几十年中,人工进化已成为科学界一个值得注意的领域。

在Eiben,Kernbach和Haasdijk的《实现的人工进化》中,这种出现被描述为与“从被动理解到积极使用进化过程的转变”紧密相关[1]。 那么,人工进化的想法很有用,因为它意味着人类的转变。 这对于科学中的其他发现很常见。 例如,对电的基本了解已经发展到快速发展的半导体行业。 Eiben及其同事认为,由于“进化计算,人类实验者可以在数字空间中设计和操纵进化过程的所有组成部分”,因此进化理论的这种改变是可能的[1]。 进化计算类似于从电磁理论到半导体计算当前状态的变化。 随着科学的发展,它倾向于导致新的和有用的技术。 进化计算也不例外,因为它是从生物空间到数字空间的转变,因此值得应用。

进化与进化计算

体现的人工进化描述了进化理论如何演变为科学的独特工具。

“在19世纪……进化论是……一种被动的概念,它帮助我们理解了事物。 在二十世纪,计算机的发明使创造世界成为可能,我们可以积极地设计进化过程” [1]。

这种历史观点突出了导致新的有用应用的科学发展趋势。 从历史上看,进化主要被视为一种解释。 使用遗传算法是将进化直接应用为工具的一种实例。 从广义上讲,其他算法包括突变,繁殖,重组,自然选择和适者生存。

想象一个程序,通过优胜劣汰的重组或生存来确定最佳解决方案。 可以将代码中不必要的部分扩展到系统之外,直到仅保留最佳功能为止。 诚然,在某些情况下,这可能会导致紧急程序中产生数百万行代码。 像Linux和Windows这样的操作系统(大约)分别大约有15百万和3500万行代码。 因此,这些具有许多代码行的不断发展的程序不一定会令人担忧。

与电磁理论如何导致当代半导体计算相比,进化计算具有不同之处。 进化计算之所以与众不同,是因为它“代表了另一个重大转变,即将进化从生物空间转移到数字空间” [1]。 一般而言,电和磁适合于智能手机,平板电脑和计算机之类的半导体计算应用,而进化计算则涉及从生物空间到数字空间的完全不同的域映射。 值得注意的是,它允许我们的物种“ [发明]和[测试]各种选择和变异机制,包括自然界中不存在的机制,……[设计]众多进化算法……不受物理或生物现实的限制” [1]。 自然地,这些工具被证明对众多应用有用。 特别是,它们提供了“……用于解决优化,设计和建模问题的专有技术” [1]。 与半导体计算如何求解,设计和建模类似,进化计算的结果可以相同。

应用领域

Eiben及其同事认为,进化计算的应用与现代计算相似。 具体来说,他们“类似于1950年代计算机行业的第一个十年” [1]。 如今,很容易看到计算机行业引领人类前进的地方。 自从现在以来,半导体行业已被证明是至关重要的。“现在,计算设备的数量超过了人类,并且在技术的早期阶段还无法想象有无数的应用程序” [1]。 确定进化计算的最佳应用是一项艰巨的任务。 存在几种潜在的新颖应用。 一种应用是“整个机器人生态系统……将被部署在人体中的医疗纳米机器人……不断发展的机器人种群以进行行星探索” [1]。 该应用程序的规模似乎也类似于计算机行业的规模。 目前,我们将半导体用于卫星,中小型机器人和可以超越微边界的系统。

了解下一个应用的数字逻辑门非常有用。 数字逻辑门具有简单的输入-输出关系。 您已经了解了这意味着什么。 当您的父母告诉您:“如果您整理好床铺并且吃掉所有蔬菜,那么您可以吃甜点”。 为了从没有甜点变成吃甜点,您必须同时满足铺床和吃蔬菜的条件。 与逻辑门是等效于该陈述[5]的半导体器件。 它要求两个输入都为真,以使输出出现。 信息理论之父克劳德·香农(Claude Shannon)彻底改变了逻辑门在电路中的使用方式。 据他介绍,每个逻辑功能至少存在一个逻辑电路(由诸如AND之类的上逻辑门组成)[4]。 根据上一个甜点示例考虑函数或映射很有用。 在这种情况下,该功能会将您整理床铺和吃蔬菜的行为映射到您是否收到甜点。 基本上,多亏了香农,我们不必费劲地靠墙,也不必试图以一种凌乱的方式提出数字逻辑电路。 我们可以在数学上将问题建模为函数(例如,在有火的情况下打开消防水喷淋装置,如果发烧的人在温度计上输出100华氏度等)作为函数并相对简单地跳转到该函数的等效数字电路( s)。

回到进化计算,一种应用是使用所有数字逻辑功能(例如AND和OR)的DNA实现。 这意味着生物回路可用于在细胞表面进行DNA计算。 例如,在Stojanovic等人的基于脱氧核酶的逻辑门中,可以更好地理解此应用。

“ [我们正在开发分子级计算元件……可以将多种分子疾病标记的特异性识别转换为细胞水平的干预” [2]。

这些研究人员主要追求的是一种生物疗法,即用于治疗疾病的医学应用(以及其他方法)。 他们研究的计算元素是生物学的,而不是起源于常规半导体。 这似乎很直观,因为治疗方法特别涉及生物学和进化领域。

已知存在十六个唯一的布尔函数(例如AND,OR,NOT)。 这些也通常称为逻辑门。

Stojanovic及其同事详细介绍了如何使用DNA分子或“催化分子信标的完全模块化性质”来创建逻辑门[2]。 该方法从根本上记录了生物域到新应用程序的新映射。 通过能够创建一个DNA分子系统,该系统可以例如计算一个细胞是否应该存活或死亡,或者患者是否需要一种注射而不需要另一种注射,人们就可以利用该技术解决独特的问题(请参阅下图2)。 总体而言,在这种情况下使用DNA计算可以代表重组的想法。

结论

过去表明科学最终会将特定的知识体系转化为广泛的应用。 这对于现代计算行业以及最近的演化计算最为显着。 到目前为止,进化计算的可预见收益似乎是治疗癌症和其他疾病的潜在方法。 实际上,应该使用生物学的实现方式来解决生物学问题。

资料来源:

[1]体现的人工进化

[2]基于脱氧核酶的逻辑门

[3]克劳德·香农的数学理论

[4]继电器和开关电路的符号分析

[5]数字设计:原理与实践