Prírodou inšpirované algoritmy

Budúci vývoj Umelej Embryogenézy

Veľká časť priestoru na mnohých dimenziách UE neboli preskúmané. Nepreskúmaný priestor obsahuje systémy, ktoré zapracúvavajú mnoho spôsobov determinácie bunkovej úlohy, miešajú relatívne a špecifické zameriavanie, majú vysoký potenciál heterochronológie, vysoký potenciál kanálnosti a realistickú komplexifikáciu. Zaujímavé je, že prírodná evolúcia obsadzuje presne tú istú časť priestoru UE. Toto pozorovanie naznačuje, že extrémne dôležitý bod v tomto obrovskom priestore zostáva na preskúmanie, spolu s množstvom ďalších zatiaľ netestovaných bodov.

Cieľom UE je byť schopní evolvovať fenotypy tak komplexné ako v biologických systémoch. Tento cieľ je ešte v ďalekej budúcnosti. Zatiaľ stále hľadáme komponenty, ktoré UE robia efektívnou. Nemusí existovať jediné dobré riešenie: Rozličné parametrizácie môžu byť dobré pre evolvovanie rozličných druhov komplexných systémov. Napríklad, systém UE šitý na vyvíjanie neurónovej siete nemusí byť ten istý ako ten, ktorý je šitý pre vyvíjanie architektúry vozidla.

Preto, výzva pre budúci výskum je chápavo skúmať tento masívny priestor. Musíme nájsť kompromisy medzi flexibilitou a jednoduchosťou a musíme sa pýtať či mechanizmy, ktoré identifikovali biológovia ako inštrumenty prírodného vývinu sú rovnako životaschopné aj pre UE. Ako prvý krok v tomto skúmaní je navrhnutých niekoľko kritérií, ktoré môžu slúžiť ako štartovacie body pre pochopenie priestoru UE a tieto testovať. Jedná sa predovšetkým o následovné kritéria:

• Evolúcia čistej symetrie - symetria je podstatným prostriedkom opätovného použitia. Ak rovnaké štruktúry existujú na oboch stranách organizmu, ich objavenie v genóme iba raz, ako opak dvojnásobného, znižuje prehľadávaciu snahu. Preto je podstatné porozumieť ako môžu rozličné dimenzie vývoja zlepšiť evolúciu symetrických vzoriek bez žiadneho iného cieľa ako symetrie samotnej. Ak vyvíjanie k - násobných symetrických vzoriek je jediným cieľom, môžeme izolovať tie dimenzie, ktoré umožňujú opätovné použitie génov. Ďalšou zaujímavou otázkou je, či k - násobná symetrická vzorka môže byť ľahko vyvinutá na k+1-násobnú symetrickú vzorku, poskytujúc detailný pohľad do účinnosti opätovného použitia v určitej implementácii.
• Evolúcia špecifického tvaru - aké ťažké je pre rôzne UE systémy vytvoriť špecifický tvar ako guľa, kruh, cylinder, spojené cylindre, dutina, hviezda, stromy, ktoré sú známe ako užitočné v prírode alebo inžinierstve? Pochopenie toho prečo systémy v rôznych bodoch UE priestoru zlyhávajú alebo sa im darí vytvárať takéto tvary by mohlo pomôcť v budúcom rozhodovaní o implementácii.
• Evolúcia špecifických vzoriek konektivity - zameriavacia dimenzia je kritická v neuroevolúcii a mali by byť uskutočnené experimenty pre plné pochopenie. Aké ťažké je dostať topológie ako dopredná, rekurentná alebo samoorganizujúce sa mapy v UE? Kedy je zameriavanie špecifickou identitou užitočnejšie ako relatívne zamariavanie umiestnenia? Nakoľko je dôležité umiestnennie neurónu počas evolúcie, keď je finálna konektivita jediným kritérion fitness?
• Evolúcia jednoduchého regulátora - zatiaľ čo sa výskumníci UE zamerali na ambiciózne umelé tvory s kompletným telom a mozgom, v niektorých bodoch by bolo dobré porovnať UE systémy s inými systémami reinforcement učenia (vrátane nevyvíjajúcich sa neuroevolučných systémov) na štandardných testovacích problémoch na to aby sme odhadli, či určité prístupy v UE môžu vytvoriť riešenia k problémom ktoré nevyvíjajúce sa systémy nedokážu. Ak určitá metodológia nemôže pracovať v relatívne jednoduchej doméne, možno nieje vhodná na evolvovanie komplexnejších umelých organizmov. Je vhodné vedieť o takýchto rozdieloch v účinkoch skôr preto, aby sme vedeli analyzovať čo ich spôsobuje a možno ich aj zmeniť v budúcnosti.

Testy sú potrebné, pretože väčšina výskumu dodnes sa zaoberala iba ustanovením toho, že nepriame kódovania môžu tvoriť komplexnejšie fenotypy ako priame. Takto, skoro všetky existujúce porovnania sú medzi nepriamym a priamym kódovaním.

Testovacie porovnania zrejme umožnia predikovať správanie sa systémov UE. Napríklad, jeden z testov by mohol byť evolúcia päťcípej hviezdy. Tento test môže byť splnený systémom, ktorého všetky dimenzie vývinu sú fixné okrem dimenzie bunkovej úlohy. Táto dimenzia sa môže meniť od použitia len predvzorkovania až po veľmi rozumnú formu určenia úlohy bunky, od stochastickej samoorganizácie až po signalizáciu, migráciu a skoré množenie. Výsledky môžu byť merané podľa rôznych kritérií: Ako rýchlo sa vyvinie žiadaný tvar? Ako často a koľko génov je použitých opätovne výsledným genómom? Je použitá symetria alebo je každý bod hviezdy špecifikovaný oddelenou sekciou genetického kódu, teda vytvorila sa modularita? Pre každé možné nastavenie na meniacich sa dimenziách (napr. určenie úlohy bunky) budú prístupné dáta pre porovnanie.

Môže napríklad vyjsť najavo, že ak je viac možných spôsobov určenia úlohy bunky, tak sa objavuje viac opätovného použitia. Keď sme raz prešli testy s rôznymi nastaveniami na iných dimenziách, tieto výsledky nás oprávňujú predikovať, za akých podmienok sa najskôr objaví opätovné použitie. Táto informácia ovplyvní rozhodnutia o dizajne v budúcich systémoch.

Jedna principiálna námietka používania testov je, že prínos UE môže byť realizovaný iba vo veľmi komplexných doménach alebo pri evolúcii veľmi komplexných fenotypov. Avšak aj v tomto prípade sú navrhované testy vybrané špeciálne na testovanie vlastností, ktoré sú známe ako využívané v komplexných biologických systémoch. Napríklad, symetria je použitá sofistikovaným spôsobom v biologických organizmoch. Preto ak UE systém nevie evolvovať jednoduchý symetrický tvar, je nepravdepodobné, že dokáže využiť symetriu v evolúcii komplexnejších fenotypov.

Jedným z najneobvyklejších fenoménov, ktoré môžu povstať z úspechu reprezentácie UE je opakovanie z variáciami. To je, namiesto duplikácie tej istej štruktúry viackrát, všeobecná téma, tak ako končatina môže byť použitá viackrát s rôzniacimi sa prejavmi. Tento špeciálny druh modularity je len v začiatkoch svojho pochopenia. Neodzrkadľuje tradičný inžiniersky dizajn, v ktorom diskrétne identické časti sú pospájané do väčšej konštrukcie. Namiesto toho začiatky a konce individuálnych častí sú beztvaré a ich interná štruktúra je len vágne ohraničená. Kapacita opätovného použitia častí s obmenami je potencionálne veľmi silným spôsobom na vytvorenie komplexnosti a najneobvyklejším smerom v budúcom výskume UE.