Ihr Kinderlein kommet… - VSETH - ETH Zürich

Polykum 5/05–06
Fruchtbarkeit 19
Evolution im Informatiklabor
Nicht nur Biologen, Philosophen und Theologen beschäftigen sich mit der Evolutionstheorie, zuweilen greifen
auch Informatiker zum Biologiebuch. Doch was hat eine leblose und auf Definitionen aufgebaute Wissenschaft
wie die Informatik bei einer Naturwissenschaft verloren, die auf Zufall und Beobachtungen basiert
Ingo Jenni > jenni@polykum.ethz.ch
Für viele Probleme hat die Natur eine
Lösung parat. Ein Baum zum Beispiel ist so
gebaut, dass er bei minimalem Gewicht eine
maximale Stabilität aufweist. Wale verfügten
bereits über ein Sonar, als es noch keine
Menschen gab, die auf die Idee kamen,
U-Boote zu bauen. Vor rund 40 Jahren versuchten
verschiedene Forschungsgruppen
den Lösungsfindungsprozess der Natur auf
den Computer zu übertragen. Entstanden
sind daraus die sogenannten Evolutionären
Algorithmen.
Evolution ist Optimierung
Evolutionäre Algorithmen lösen, wie die
Evolution auch, stets Optimierungsprobleme.
Diese können aus allen erdenklichen Bereichen
stammen. Ein Beispiel ist die Minimierung
des Strömungswiderstandes beim Auto. Ein
sehr anschauliches Pendant in der Natur
findet sich hier bei den Delphinen, deren
Stromlinienform auf natürliche Weise optimiert
wurde.
Die theoretische Grundlage für Evolutionäre
Algorithmen lieferte Charles Darwin.
Der berühmte britische Naturforscher veröffentlichte
1859 sein Werk «On the origin of
species by means of natural selection or the
preservation of favoured races in the struggle
for life». Die Darwinsche Theorie besagt,
dass die Evolution und somit die Entstehung
von hoch entwickeltem Leben auf Variation
und natürliche Selektion zurückzuführen ist.
Danach überlebt in der freien Natur über
lange Zeit genau die Spezies, welche sich
am besten an ihre äusseren Umstände anzupassen
weiss. Tarnung, körperliche Stärke,
effizienter Wasserhaushalt, das sind nur ein
paar Stichworte aus einem riesigen Arsenal
an Konzepten, entwickelt von Tieren und
Pflanzen in einem schon Jahrmillionen andauernden
Kampf gegen das Aussterben.
Todeskampf im Computer
Dieser Kampf um Leben und Tod wird nun
im Computer simuliert, das heisst man setzt
eine Population an Individuen einer virtuellen
Umwelt aus. Dort lässt man sie sich fortpflanzen
und anpassen und schaut nach ein
Delphin: Über Jahrmillionen optimierte Stromlinienform.
paar tausend virtuellen Generationen, welche
neuen Ausprägungen die Lebewesen sich im
Laufe der Zeit angeeignet haben. Was man im
Vorhinein weiss, ist, welche Eigenschaften die
zu züchtenden «Lebewesen» aufweisen müssen
und auf welchem Gebiet sie speziell «gut»
sein sollen.
Konkret lässt sich das am Beispiel einer
Autokarrosserie illustrieren. Hierbei wird die-
Karrosserie als Individuum angenommen.
Durch die Selektion wird sich nun eine Form
herausbilden, die den geforderten Bedingungen
an den Strömungswiderstand optimal entspricht.
Natürlich müssen im Vorfeld gewisse
Rahmenbedingungen festgelegt, sprich programmiert
werden: Niemand kauft ein Auto,
das aussieht wie ein Delphin – ist es auch
noch so strömungsfähig. Unter solchen Voraussetzungen
werden nun die Fitness und die
Überlebenschancen der einzelnen Individuen
(Karrosserieformen) eruiert. Zwei überlebende
Individuen können dann Nachkommen
zeugen, die – wie in der Natur – Eigenschaften
beider Elternteile aufweisen. Durch zufällig
stattfindende Mutationen, also kleine Ände-
Bild: Michelle Fish
rungen in der Datenstruktur der Individuen,
kann es sein, dass die Nachkommen sogar besser
angepasst sind als ihre Eltern. So entsteht
eine Population, die von Generation zu Generation
einen besseren Strömungswiderstand
aufweist.
Natur macht’s besser
Die Evolutionären Algorithmen konnten sich
in vielen Gebieten etablieren. Sie helfen, Börsenkurse
vorherzusagen, finden die optimale
Anordnung von Chips auf einer Platine und
ermitteln in selbstlernenden Robotern den
kürzesten Weg aus dem Labyrinth. Obwohl
auf ihrem Gebiet noch immer stark geforscht
wird, ist mit der Bionik eine noch relativ
junge Wissenschaft stark im kommen. In der
Bionik wird systematisch in der Natur nach
Lösungen für bestehende Probleme gesucht.
Kein von Menschen erbauter Turm ist so stabil
wie die Röhrenkonstruktion eines Grashalms,
kein Helikopter so wendig wie eine Fliege
und keine Computersimulation so ausgeklügelt
wie das Leben selbst. Die Natur ist uns
eben doch immer einen Schritt voraus.