Prírodou inšpirované algoritmy

Kreatívny evolučný dizajn

Nazvať niečo, čo je vygenerované počítačom ako „kreatívne“, alebo „nápadité“ je pomerne problematické a kontroverzné, preto sa v tejto kapitole pokúsime zadefinovať, čo „kreatívny“ v zmysle evolučného dizajnu skutočne znamená.

Jednotlivec môže vykazovať kreativitu v procese dizajnu a zároveň samotný dizajn môže niesť určité charakteristiky, ktoré môžu byť považované za „kreatívne“, alebo „nápadité“. Niektorí autori sa zameriavajú na túto definíciu „kreativity“ a tvrdia, že počítač dizajnuje „kreatívne“ vtedy, ak prehľadáva jednak množinu „dizajnových“ stavových priestorov a okrem toho prehľadáva zároveň aj parametre vnútri jednotlivých priestorov. Inak povedané, evolvovanie počtu rozhodovacích premenných spolu s evolvovaním ich hodnôt robí počítač kreatívnym. Iné definície kreativity tvrdia, že kreativita je možná len vtedy, ak prekročíme hranice reprezentácie a nájdeme unikátne riešenie, ktoré jednoducho nie je možné definovať danou reprezentáciou. Táto definícia teda vlastne popiera kreativitu počítačov.

Ostatné definície kreatívneho dizajnu tvrdia, že to je : transfer znalostí z iných domén, za účelom generovať prekvapujúce a inovatívne riešenia, alebo vytváranie neobvyklých riešení, ktoré sú kvalitatívne na vyššej úrovni ako predchádzajúce riešenia.

V podstate ale kreatívny evolučný dizajn znamená generovanie úplne nových dizajnov začínajúc z mála, prípadne ničoho, pričom evolúcia je riadená jedine kritériami výkonnosti dizajnu. Na dosiahnutie tohto cieľa tieto systémy často menia počet rozhodovacích premenných počas samotnej evolúcie. Často sú schopné generovať prekvapujúce a inovatívne riešenia, ktoré sú kvalitnejšie ako predchádzajúce. Či to znamená, že počítač skutočne „tvorí“, alebo či jednoducho iba generuje „tvorivé“ dizajny je ponechané rozhodnutiu jednotlivcov...

Príklady použitia kreatívneho ED

Výskum v tejto oblasti sa zameriava na predbežné štádium procesu dizajnu. Existujú dva hlavné prístupy, obe zahŕňajú použitie evolučných techník na generovanie úplne nových dizajnov „z ničoho“, avšak úroveň reprezentácie dizajnov sa líši.

Konceptuálny evolučný dizajn

-produkcia konceptuálnych modelov vysokej úrovne pre dizajn

V tomto type evolučného dizajnu je snaha generovať koncepty dizajnu vyššej úrovne. Dobrým príkladom tohto prístupu je systém TRADES (TRAnsmission DESigner). TRADES využíva genetický algoritmus na evolúciu usporiadania množiny konceptuálnych stavebných blokov(ako napr. tyč, ozubené koleso, remeňový prevodník). Keď potom zadáme typ vstupu (napr. rotačný pohyb) a požadovaný výstup (napr. priamočiary pohyb), systém vygeneruje vhodný konceptuálny prevodný systém na konvertovanie vstupu na výstup.

V týchto systémoch slúži evolúcia na prehľadávanie všetkých možných sietí pospájaných zo stavebných blokov. Genotypová a fenotypová reprezentácia je často jednoduchá. V prípade dizajnu stola sa tento prístup javí asi takto : navrhneme počet konceptuálnych stavebných blokov, každý s určitými špecifickými vlastnosťami a použijeme evolúciu na nájdenie takého usporiadania stavebných blokov, aby sa celok javil ako stôl. Tento príklad využíva iba dva stavebné bloky – rovinnú plochu a nohu. Fenotyp pozostáva zo siete týchto konceptov.

Na obrázku je možné vidieť dva druhy takto navrhnutých sietí – jedna pre stôl so štyrmi nohami, druhá pre stôl na jednej nohe so širokou základňou.

Základné typy EA sú obvykle postačujúce pre tento typ dizajnu. Ako jeden z príkladov uvediem použitie štruktúrovaného GA na evolúciu rozsiahleho vodárenského systému. GA manipuloval s blokmi ako „miesto“, „typ potrubia“, „typ hrádze“ atď..

Generatívny evolučný dizajn (genetický dizajn)

-priame generovanie dizajnov

Použitie počítačov na priame generovanie tvarov na rozdiel od preddefinovaných konceptov dáva počítačom výhodu v podobe akejsi väčšej slobody v tvorení. Takéto systémy môžu voľne evolvovať akýkoľvek tvar, ktorý môžu reprezentovať a evolúcia takto môže vyústiť k emergencii jednotlivých konceptov. Avšak náročnosť tohto typu ED je vysoká, zvyčajne vyžaduje použitie dynamických reprezentácií a komplexných vyhodnocovacích postupov.

Na obrázku môžeme vidieť genetický dizajn nášho modelového stola. Počiatočná populácia pozostáva z náhodne pospájaných častí, ktoré potom evolúcia „doladí“ tak, aby celok fungoval ako stôl. Kritický faktor je reprezentácia takýchto jedincov – každá časť dizajnu musí byť vymeniteľná. V tomto prípade, sú dizajny reprezentované stavebnými blokmi, definované ich 3D pozíciou a veľkosťou. Genotyp definuje gény požadovanej 3D pozície a veľkosti. Pretože sa jedná o generovanie „zdola nahor“ , generatívny ED bol úspešne použitý v prípadoch evolúcie komplexných systémov s pohyblivými časťami. Pritom je tento prístup schopný väčšej kreativity ako konceptuálny ED. Darí sa mu totiž prekonávať možné obmedzenia tzv. „konvenčného uvažovania“ a dizajnu tak, že evolvuje tvary bez znalosti o danom dizajne, alebo komponentoch. Praktické využitie tejto metódy zahŕňa napr. GA na evolúciu stavebných plánov domov, GP na evolúciu analógových obvodov.