Prírodou inšpirované algoritmy

Prostredie

PolyWorld je simulátor životného prostredia jednoduchého sveta. Do tohto sveta môže byť vložených niekoľko pevných nepreniknuteľných bariér. Svet je obývaný rôznymi organizmami a pokrytý voľne rastúcou potravou. Organizmy, ktoré tu žijú používajú zrak ako vstup do nervovej siete - mozgu, ktorý využíva hebbovo učenie na moduláciu svojich synapsií. Výstupy z mozgu plne determinujú správanie jedinca. Títo jedinci a všetky ostatné viditeľné súčasti sveta sú graficky reprezentované jednoduchým polygónovým útvarom. Videnie je zabezpečené renderovaním obrazu z bodu pohľadu každého jedinca. Výsledkom je pixelová mapa, ktorá potom vstupuje do mozgu organizmu analogicky ako svetlo, ktoré dopadá na sietnicu reálneho organizmu.

Malé množstvo neurónov je predurčené aktivovať súbor možného primitívneho správania, zahrňujúc jedenie, párenie, bojovanie, pohyb, otáčanie, kontrola zorného poľa a kontrola lesku istých častí tela (niektoré polygónové útvary). Organizmy pri každej z týchto akcií vynakladajú energiu, vrátane činnosti mozgu. Aby mohli prežiť, musia si túto energiu neustále dopĺňať. Jednou z možností ako si energiu doplniť je prijímanie potravy, ktorá rastie všade navôkol. Keď organizmus zahynie, jeho pozostatky sa stávajú potravou. Pretože jedným zo základných prejavov správania je boj, jeden organizmus môže poškodiť alebo aj zabiť ďalší organizmus. To znamená, že organizmy si môžu dopĺňať energiu aj tým, že zabijú a skonzumujú nejaký iný organizmus. Je tu teda prirodzene modelovaná predácia.

Simulovaná fyziológia organizmu a rýchlosť jeho metabolizmu ako aj stavba jeho nervovej siete je daná základným genómom. Tento genóm je prirodzene replikovateľný. Dva priestorovo prekrývajúce sa organizmy sa môžu spáriť. Nastane reprodukcia haploidného genetického materiálu obidvoch jedincov. Tento novovzniknutý genetický materiál je ďalej predmetom kríženia a mutácií. Výsledkom je vytvorenie nového genómu ako základu pre nový detský organizmus, ktorý však nie je identický s genómom rodičov. Takýmto spôsobom vznikne jedinečný organizmus.

Jeden z možných popisov takéhoto umelého sveta je problém zachovania energetickej rovnováhy. Rovnováha musí nastať medzi energiou akumulovanou v živých organizmoch a energiou v potrave. Najsilnejší organizmus sa najlepšie naučí dopĺňať energiu z potravy a preniesť svoje gény párením. Pre vytvorenie „zdravého sveta“ je dôležité, ako sa organizmus živí a rozmnožuje. Tento svet je však dynamický, pretože závisí aj od správania sa mnohých ďalších organizmov. A pretože je tu veľký počet variácií v umiestnení a správaní sa organizmov, je tento svet tiež stochastický. Ak najsilnejší organizmus zlyhá pri hľadaní družky, jeho gény budú pravdepodobne navždy stratené. Na základe týchto vlastností je teda každý svet potencionálne odlišný od všetkých ostatných svetov.

V ďalšom budeme rozlišovať pojem vytvorený a narodený organizmus. Vytvorený znamená, že organizmus bol samovoľne vytvorený systémom (napr. pri iniciálnom zasídlení sveta), zatiaľ čo narodený organizmus je výsledkom párenia. Populácia, ktorá má vyvinutý dostatočný súbor naučených prejavov správania, aby mohla zvyšovať svoj počet organizmov narodením bez žiadneho ďalšieho vytvárania organizmov (od istého časového okamihu), je odkázaná na vlastnú úspešnú stratégiu na prežitie (Successful Behavior Strategy - SBS). Do toho okamihu je PolyWorld v stave, ktorý by sme mohli nazvať Mód neustále aktívneho Genetického algoritmu (On-Line Genetic Algorithm alebo tiež Steady State Genetic Algorithm). Počas neho je garantovaný minimálny počet organizmov obývajúcich svet. Ak sa počet úmrtí zvýši natoľko, že počet žijúcich organizmov klesne pod tento minimálny počet, tak systém buď náhodne vytvorí nový organizmus, alebo vytvorí potomka dvoch organizmov vybraných z tabuľky N najsilnejších, alebo, výnimočne, najlepší organizmus môže byť vrátený späť do sveta (tzv. elitistická stratégia).

Niektoré simulácie dosiahnu stav, keď využívajú vlastnú stratégiu prežitia (SBS) hneď po prvom osídlení, niektoré naopak nedosiahnu tento stav nikdy. Podľa toho, kedy populácia dosiahne stav SBS, hovoríme o úspešnosti simulácie, prípadne o jej neúspechu.

V bežnej simulácii je horná hranica populácie zvyčajne cez 300 organizmov, každý s maximálne asi 200 neurónmi. S priemernou dĺžkou života 500 časových jednotiek je čas po narodenie prvého potomka asi 100 časových jednotiek. Následujúci obrázok ukazuje vzorku prostredia PolyWorldu.

Najväčší panel na obrázku zobrazuje globálny pohľad na simuláciu. Tmavozelená plocha označuje životný priestor, hnedé pásy nepreniknuteľnú bariéru, svetlozelenou farbou sú vyznačené elementy potravy, a ostatné rôznofarebné objekty sú organizmy. Celkom navrchu je veľké množstvo miniatúrnych obrázkov ukazujúcich svet z uhla pohľadu každého organizmu. V pravom hornom rohu je niekoľko numerických štatistických údajov popisujúcich simuláciu. Vpravo dole je zväčšený detailný pohľad organizmu, ktorý je práve najsilnejším.