Prírodou inšpirované algoritmy

Biológia

Gecko

Gecko je priestorový, agentovo-orientovaný simulátor na modelovanie dynamiky ekosystémov. Agenti sú reprezentovaní ako voľne pohybujúce sa guľaté telesá . (Animovaný gif)

Agenti ako guľaté telesá

Možné sú allometrické (pozn. allometrický = týkajúci sa relatívnej miery rastu určitej časti organizmu vzhľadom na ostatné časti celku), energetické a priestorové ohraničenia. Pomocou tohto nástroja je možné zostrojiť 2D a 3D modely ekosystémov.

Pohľad agenta

Agenti sú priestorové guľaté telesá premietnuté do roviny. Na obrázku máme žltou farbou znázorneného pestovateľa (vľavo dole) a tri sadenice. Rez je vlastne pohľad agenta. Svet pestovateľa sa skladá z pestovateľa samotného, z terénu (záhradky), a jednej sadenice. Svet sadenice je tvorený samotnou rastlinou, terénom, jedným pestovateľom a dvomi doplňujúcimi sadenicami.

2D mapa oblasti

Znázornená mapa oblasti nášho záujmu, kruhmi sú označení agenti. Zelení agenti symbolizujú rastliny-sadenice, žltí značia kobylky, fialovou farbou sú označené pavúky. Rastliny napravo od stredu "sveta" sa ustálili v hexagonálnej formácii; zhustenie im zabraňuje rásť ďalej. Vhodná pastva pomáha udržiavať spomínanú hexagonálnu formáciu. V ľavej hornej časti obrázku jedna veľká osamotená rastlina a jej dcérske rastliny vypĺňajú príslušný priestor okolo seba.

Celá simulácia slúži na odhad počtu jednotlivých typov rastlín, ako sa navzájom ovplyvňujú, ako na nich vplýva okolie.

Domovská stránka GECKO

Bugverse

Bugverse je dvojrozmerné univerzum, jeho obyvatelia sú chrobáky, rastliny (potrava pre chrobákov) a jedovatá potrava. Chrobáky sa pohybujú vo svojom svete, potrava - jedovatá aj rastlinná ostávajú na jednom mieste. Každý chrobák je reprezentovaný neurónovou sieťou, a pomocou evolúcie sa naučí vyrovnať sa so svojím životným prostredím. Obrázok vyššie je ukážkou DOS-aplikácie.

Motiváciou na pozadí chrobáčieho sveta je otestovanie hypotézy o vývoji mozgu. Každý jeden chrobák je implementovaný ako rekurzívna modulárna neurónová sieť. Princíp rekurentných modulárnych architektúr by mal umožniť vybudovať hierarchiu štruktúr, v ktorej komponenty na nasledujúcej úrovni sú poskladané z komponentov aktuálnej úrovne.
Hypotéza bola nasledujúca:

• môže byť globálna architektúra nasmerovaná k reprodukcii jej lokálnych častí (reaching up)
• alebo to funguje naopak - lokálne siete "podniknú" niečo globálne (reaching down)

Spresnenia, vylepšenia: zabudovať do modelu viac biologickej reality nasledovne:

• Vývojová fáza: v originálnom modeli schéma prepojení bola zakódovaná v genóme priamo. V novom modeli je snaha dovoliť konštrukciu váh a spojení v neurónovej sieti, ktorá bude ovládaná Boolean-sieťou (modeluje genetický regulátor).
• Sensorimotor: prepojenia z neurónovej siete na chrobákove senzory budú špecifikované evolúciou Boolean-siete.
• Neuro-etologický komponent: modelovať sexuálnu reprodukciu ako priestorovo závislú (predtým sa brali ľubovoľné dva komponenty z celého priestoru)
• Lepšie videnie: model videnia použitý pri každom chrobákovi by mal byť zdokonalený

Domovská stránka BUGVERSE

Evo

Evo je vývojový nástroj určený na zostrojenie komplexných simulácií umelého života. Používaním nástroja Evo môžu výskumníci ľahko zostrojiť sústavy rôznych, na sebe nezávislých agentov, ktorí komunikujú medzi sebou a so svojim okolím. Evo implementuje biologické operátory ako genetická rekombinácia a mutácia; vďaka týmto môžu agenti rozvinúť svoje správanie, a ľahšie sa prispôsobiť svojmu okoliu.
Evo má určitú podobnosť s genetickým programovaním: genóm indivídua je kus kódu, ktorý sa vykoná. Prostredie zaobchádza s populáciou a ich genetickým kódom podľa špecifikácie okolia, ktoré je definované vývojárom.

Aplikácie:

• simpleBugs - populácia chrobáčikov, ktorá má svoj životný priestor, v nej potravu; majú možnosť spájať sa do väčších skupín; potrava rastie v prostredí priebežne;
• multipleResourcesBugs - podobná aplikácia ako predchádzajúca, len ku potrave pribudla aj voda, ktorá nie je rozložená po celom priestore; celé množstvo vody je umiestnené v centre sveta chrobákov (niečo ako rybník, oceán), je to vlastne bariéra pre agentov;
  






Svet chrobákov pred spustením a počas simulácie.



• customBugs - Je to opäť modifikácia prvého príkladu. Ide o experiment na overenie hypotézy o úspešnom správaní sa v okolí, resp o úspešnom genóme; môžeme spustiť dve "silné" vlastnosti do boja o prežitie, uvidíme ktorá sa viac uplatní v danom prostredí;
• metabolismBugs - rozvinutie príkladu simpleBugs tým, že pridáme chrobákom metabolizmus;
• foxesAndRabbits - Ukážka toho ako sa dá zrealizovať simulácia s viacerými typmi agentov. Táto simulácia je trochu zložitejšia ako "chrobáčiky vs. potrava".
  Máme dva druhy agentov; súčasne sa snažia byť vhodnejší v danom prostredí. Je veľmi ťažké dosiahnuť stav, kedy populácia králikov aj líšiek je pomerne stabilná. Niekedy majú prevahu v prostredí líšky, inokedy je viac králikov. Evolúcia môže trvať pri týchto podmienkach oveľa dlhšie ako v predchádzajúcich prípadoch.

Prostredie pred začatím simulácie -
králíci sú označení šedou, líšky červenou farbou.

Domovská stránka EVO