Prírodou inšpirované algoritmy

Úvod

Štúdium živých systémov môže mať rôzne formy, od skúmania základných fyzikálnych procesov až po etologické štúdium správania živočíchov v globálnom meradle. Tradičné metódy sú založené na skúmaní skutočných biologických systémoch, vyskytujúcich sa v reálnom životnom prostredí. Len nedávno sa začalo so skúmaním umelých systémov na počítačoch a rôznych robotoch.

Cieľom týchto skúmaní je lepšie pochopiť procesy v živých systémoch a spoločenstvách. Potenciálne výhody hlbšieho pochopenia života sú nesmierne. Tie väčšie z nich sú väčšinou intuitívne zrejmé, ako napríklad efektívnejšia ochrana životného prostredia, vývin umelej inteligencie alebo hlbšie poznanie našich duševných a fyziologických pochodov. Ďalej sú ciele všedného charakteru, napríklad jednoduché výukové systémy, masívne triediace stroje, všeobecné optimalizačné programy, automatické riadenie, softvérové vývojové algoritmy. Samozrejme, tieto ciele sú zároveň reálnejšie.

Táto stránka sa zaoberá počítačovým modelom živých organizmov a ich životného prostredia. Tento počítačový model skutočne existuje pod názvom PolyWorld a sa pokúša preniesť všetky princípy skutočných živých systémov do jedného umelého (tzn. vytvoreného človekom) živého systému. PolyWorld zlučuje genetiku, jednoduchú psychológiu, metabolizmus, hebbovo učenie v ľubovoľnej architektúre nervovej siete, mechanizmy zrakového vnímania a množinu prejavov primitívneho správania umelých organizmov vložených do životného prostredia. V simulácii sú priamo zabudované prejavy správania organizmov ako vychovávanie, súperenie, predácia, mimikry (podobnosť organizmu zväčša neživému predmetu alebo inému organizmu), pohlavné rozmnožovanie, a dokonca aj komunikácia. Tieto prejavy sú výhradne výsledkom činnosti nervovej siete mozgu (brain). Komplexné správanie vychádzajúce z aktivity jednotlivcov je nepredvídateľné a mení sa na základe prirodzeného výberu cez mnoho generácií.

PolyWorld by mohol slúžiť ako nástroj na výskumné účely v oblasti evolučnej biológie, behaviorálnej ekológie, etológie (náuka o správaní sa živočíchov) a neurofyziológie (stavba nervového systému). Motiváciou na jeho návrh a implementáciu možno zhrnúť do nasledujúcich 3 bodov:

1. Zistiť, či je možné vyvolať v správaní živočíchov všeobecnú stratégiu na prežitie ako samovznikajúci fenomén (bez jeho predošlého programovania).
2. Vytvoriť umelý život, ktorý je čo najviac podobný reálnemu životu kombináciou čo najväčšieho počtu kritických zložiek reálneho života.
3. Začať vyvíjať Umelý život (artificial life) ako cestu k umelej Inteligencii (artificial intelligence) použitím tých kľúčových elementov, ktoré viedli k prirodzenej inteligencii. Ide tu predovšetkým o vývoj nervového systému v životnom prostredí.

Tento dokument bude rozoberať návrh princípov zakomponovaných do PolyWorldu, špecifiká, ktoré vyústili do rôznych simulácií, kde možno sledovať správanie jednotlivcov i skupín.

Základný popis systému je asi takýto : Správanie organizmu je komplexne riadené nervovým systémom nazvaným „mozog“ (brain). Stavba mozgu je určená genetickým kódom, pokiaľ ide o počet, veľkosť a zloženie nervových zhlukov (budiace a tlmiace neuróny) a typy spojení medzi nimi (hustota spojov a topologické rozloženie). Synaptické spoje sú modulované procesom učenia. Organizmy majú schopnosť „učiť sa“ počas svojho života (využíva sa Hebbovo učenie). Vnímajú svet okolo seba prostredníctvom zrakového zmyslu, ktorý poskytuje počítač vykreslením sveta z miesta pohľadu každého organizmu. Fyziológia organizmu je tiež kódovaná geneticky. Rozmanitosť druhov s rôznymi individuálnymi aj spoločnými stratégiami prežitia vyúsťujú do rozmanitých simulácií s takými komplexnými prejavmi správania ako zoskupovanie, zháňanie potravy a obrana proti útokom.