Prírodou inšpirované algoritmy

Úvod

Táto stránka sa zaoberá popisom programov, ktoré pôvodne zostrojil R. Dawkins na vysvetlenie a simuláciu "sily" prírodného výberu. Biomorfy sú teda tvory, ktoré je možné evolvovať pomocou týchto programov. Do úlohy selekcie je postavený sám užívateľ, ktorý vyberá tie jedince, ktoré sa mu najviac páčia a tie prežijú v ďalšej generácii, resp. z nich sú vytvárané ďalšie mutácie.

V reálnom živote sa forma každej individuálnej bytosti začína embryonálnym (počiatočným ) vývinom. Evolúciou vznikajú v každej generácii nepatrné rozdiely v embryonálnom vývine. Tieto rozdiely nastávajú v dôsledku zmien v génoch kontrolujúcich vývoj. Ak to chceme použiť pre tvorbu programu musíme vytvoriť jednoduché pravidlá pre grafické zobrazenie, ktoré by ovplyvňovali gény.Dawkins použil jednoduchú stromovú procedúru.Počítač najprv zobrazí jednoduchú vertikálnu čiaru.Potom ju rozdelí na 2 vetvy.Každú z vetiev opäť rozdelí na 2 podvetvy. Takýmto spôsobom sa strom rekurzívne rozrastá.

Obrázok z knihy Slepý hodinár, Figure 2

Takéto rekurzívne vetvenie je dobrou "metaforou" pre embryonálny vývin rastlín a živočíchov, pretože každé embryo sa vyvíja delením buniek. Bunky sa delia na 2 dcérske bunky. A gény pôsobia lokálnymi vplyvmi na bunky, pričom sa nepridržiavajú žiadneho predpisu pri vývine embrya ako celku, ale ovplyvňujú každú bunku resp. zväzok buniek.

Ako reprezentovať gény v programe?

V rastlinách a živočíchoch je niekoľko desiatok tisícov génov. Dawkins sa v programe obmedzuje na 9 génov. Každý z génov je ohodnotený svojou hodnotou resp. cenou. Je veľa vlastností, ktoré môžu gény ovplyvňovať. 8 z 9 základných génov ovplyvňuje smery a dĺžku konárov súčasne, 9-tý gén vyjadruje hĺbku rekurzie, tá sa zohľadňuje aj pri dĺžke konárov. Každý zo stromov má svoj vlastný genetický kód a svoje miesto v matematickom priestore. Je to preto, že ak by sme mali k dispozícii iba gen. kód, tak pomocou neho ľahko nájdeme prislúchajúci strom. Každý sused tohoto stromu v priestore sa bude od neho líšiť iba jedným génom.

R.Dawkins pre názov svojich kreatúr prestal používať pojem stromy a pomenoval ich BIOMORFY . Tento pojem zaviedol surrealistický maliar Desmod Morris pre bytosti, ktoré zobrazoval vo svojich dielach.

Pickover tiež použil tento názov na opis kreatúr, ktoré ale vznikajú iteráciou funkcie komplexnej premennej podobným spôsobom ako Mandelbrotova množina (viď stránku pojednávajúcu o Pickoverových biomorfoch).

Je zaujímavé simulovať prirodzený výber na počítači, kde na biomorfy vplýva aj nežičlivé prostredie, v ktorom prežijú len tí najschopnejší. Z ich tvaru vyplýva či v danom prostredí prežijú alebo nie. Ideálne je ak v prostredí sa nachádzajú aj "predátori", "koristi", "paraziti", "súperi".

Obrázok z knihy Slepý hodinár, Figure 4

Obrázok z knihy Slepý hodinár, Figure 5

Dá sa pozorovať istá podobnosť medzi Dawkinsovými biomorfami a L-systémami, avšak biomorfy sú snáď jednoduchšie a ľahšie sa pomocou nich vytvárajú obrazce podobné živočíchom. Samotné vykresľovanie často používa "korytnačiu grafiku", ako je tomu pri L-systémoch (viď zdrojový kód v jave)

Pôvodný program Dawkinsa implementoval 9 génov (dĺžky/uhly úsečiek, stupeň rekurzie a pod.), pričom v každej generácii vznikali potomci líšiaci sa hodnotou len v jednom géne. V súčasnosti sú programy, ktoré používajú viac génov (napr. program Cellfish používa 26 génov - farby, hrúbky čiar, kruhy a geom. obrazce), prípadne vytvárajú jedince v 3D (napr. program Cybertations).

V nasledujúcich riadkoch sa dozviete viac o R. Dawkinsovi, jeho biomorfoch a ich implementácii. Predtým, než Dawkins prešiel k biomorfom, zostrojil čo je jednoduchý program, ukazujúci, že ak by mala opica dostatočne dlhý čas na náhodné búšenie do klávesnice, dokázala by napísať hoci aj Shakespearovho "Hamleta" (konkrétne v programe jednu vetu z tohto diela). Tento program ešte nevytvára "biomorphs"! Tieto si môžte vytvárať pomocou ostatných programov v časti Implementácia.