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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Evolutionsstrategie I“ Von der „Insel der Krebse“ zum ES-Kalkül Geschichte, Gegenwart und Zukunft.

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2 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Evolutionsstrategie I“ Von der „Insel der Krebse“ zum ES-Kalkül Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Evolutionsstrategie

3 Biologische Evolution in Kurzform

4 1 Schleimklumpen in der Ursuppe der Erde

5 2 Im Urozean entwickeln sich die Fische

6 3 Vorsichtig erobert das Leben das Land

7 4 Unsere Vorfahren erklettern die Bäume

8 5 Die Krönung der Evolution denkt über seine Entstehung nach

9 Ev o lutionsstreit Darwin Evolution Mutation Zufall ?

10 und worum es dabei geht

11 Die Annahme, dass das Auge mit all seinen unnachahmlichen Einrichtungen, die Linse den verschiedenen Entfernungen anzupassen, wechselnde Lichtmengen zuzulassen und sphärische wie chromatische Abweichungen zu verbessern, durch die natürliche Zuchtwahl entstanden sei, erscheint, wie ich offen bekenne, in höchstem Grade absurd. Aus Charles Darwin: „Die Entstehung der Arten“ Die Zweifel in Darwin

12 F d k q k Evolution einer Augenlinse Computersimulation der Evolution einer Sammellinse Verformbarer Glaskörper k

13 Von den Anfängen der Evolutionsstrategie

14 Wissenschaftler als Autoren von Science-Fiction Johannes Alfven Isaac Asimov Wernher von Braun Konrad Fialkowski Stanislav Lem Fred Hoyle Konstantin Ziolkowski Michael Crichton Frank Schätzing Carl Sagan Ernst Jünger

15 Bob Shaw Andere Tage, andere Augen Text

16 Science-Fiction: Langsamglas (Retardit)

17 Kristall als Bremsklotz für Licht Meldung vom In einer gasgefüllten hohlen Glasfaser wurde Infrarotlicht auf ein 1200-stel der Lichtgeschwindigkeit abgebremst. Meldung vom Lichverzögerung im Chip Die Physiker um Thomas Halfmann vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Darmstadt haben Licht für über eine Minute angehalten. Bilder, die der Lichtpuls in den Kristall einschrieb, konnten sie ebenfalls eine Minute lang speichern - eine Millionen Mal länger als bislang möglich. …Daher haben die Wissenschaftler Computer-Algorithmen verwendet, die während des Experiments voll-automatisch und schnell die besten Lösungen finden. Einer der Algorithmen orientiert sich an der Evolution in der Natur, die möglichst gut an die Umwelt angepasste Organismen hervorbringt. Mittels der Algorithmen konnten die Forscher Laserstrahlen, Magnetfeld und Hochfrequenz-Pulse so einstellen, dass die Spinwellen fast so lange überlebten wie es in dem Kristall überhaupt möglich ist.

18 Anatolij Dnjeprow Insel der Krebse: Eine Science-Fiction-Erzählung über künstliche Evolution. Die Geschichte ist Ausgangspunkt für die Entwicklung der Evolutionsstrategie Anatolij Dnjeprow

19 Der Versuch von Ingenieur Cookling

20 Selbstreproduktion mit Fehlern Exponentielle Vermehrung Kampf ums Dasein Evolution á la D ARWIN U. Berg Insel der Krebse Fehler werden auf das Konstruktionsprogramm übertragen !

21 Experiment „künstliche Evolution“ Gesucht ist ein einfaches technisches System mit den Eigenschaften: 1. Das System soll manuell mit geringstem Aufwand bei vorgegebener Fehlerhäufigkeit reproduziert werden können. 2. Das System soll eine Qualität (Tauglichkeit) besitzen, die besonders einfach gemessen werden kann.

22 InselWindkanal KrebsStahlhautprofil Verstellbarkeit anstelle der Selbstreproduktion Zufällige Verstellung anstelle der fehlerhaften Selbstreproduktion Qualität = gemessener Strömungswiderstand

23 Idee für ein mechanisches Evolutionsexperiment

24 „Darwin“ im Windkanal Schlüsselexperiment mit der Evolutionsstrategie 1964 Text

25 Zahl der Einstellmöglichkeiten: 51 5 = Einraststufen

26 Analogien - Evolutionsstrategie BiologieTechnik Erbanlagen, niedergeschrieben im DNA-Molekül (Genotyp) Winkelgrade, notiert auf einem Protokollblatt Sichtbares Erscheinungsbild eines Lebewesens (Phänotyp ) Eingestellte Form der Gelenkplatte im Windkanal Zunehmende Tauglichkeit des Lebewesens in der Umwelt Abnehmender Widerstand der Gelenkplatte im Windkanal

27 Fiktive Mutationsmaschine G ALTON sches Nagelbrett Senkrecht aus der Wand ragende Nägel

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211 Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

212 Ändern der Umwelt

213 Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

214 18. November 1964

215 6 Hand bewegte Stangen mutieren einen Rohrkrümmer Evolution eines 90° Rohrbogens Start Ergebnis 1965 Text

216 10 Roboter betätigte Seilzüge mutieren einen Rohrbogen Evolution eines 180° Rohrbogens Start Ergebnis 1980

217 Optimaler 90°- Strömungskrümmer Optimaler 180°- Strömungskrümmer Start Ergebnis Start Ergebnis 10% verminderte Strö- mungsverluste gegen- über der Kreisform

218 Heißwasserdampfdüse für das Evolutionsexperiment mutierbar gemacht Text

219 S CHWEFEL s Evolutionsexperiment mit einer Heißwasserdampfdüse

220 Evolution des Pferdefußes Vom Eohippus zum Equus (60 Millionen Jahre)

221 Evolution eines Rotationskörpers minimalen Widerstands (Querschnitt und Länge des Rotationskörpers fest) Pinebrook, US Navy

222 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

223 Künstliche Evolution im Windkanal Neue Generation c a - c w - Messung Flexible Bleistreifen Nachkommen realisieren Eltern eingeben Nachkommen bewerten Text 3 2 a w c c

224 Generation Evolution eines Spreizflügels im Windkanal

225 Spreizflügel versus Normalflügel 0188,0 min 3 2          a w c c 0216,0 min 3 2          a w c c Diplomarbeit: Michael Stache

226 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

227 Evolutions- Wettkampf ? ? Text

228 Für den Vogel ohne Spreizung Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel mit Spreizung Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m 2 g = 9,81 m/s 2   = 1,1 kg/m 3 Daten für Bussard

229 Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec14 min 30 sec Text

230 Es gibt viele Evolutionsstrategien (1 + 1)-ES (1,  )-ES ( ,  )-ES (    ,  )-ES

231 (1 + 1)-ES DARWINs Theorie in maximaler Abstraktion

232 (1, )-ES Evolutionsstrategie mit mehr als einem Nachkommen = 6

233 ( , )-ES Evolutionsstrategie mit mehreren Eltern und Nachkommen = 7  = 2

234 (    , )-ES Evolutionsstrategie mit Mischung der Variablen (Erbanlagen ) = 8  = 2  = 2

235 Entwicklung der Evolutionsstrategie  ' = Zahl der Eltern-Populationen ' = Zahl der Nachkommen-Populationen  = Zahl der Eltern-Individuen   = Zahl der Nachkommen-Individuen  = Generationen der Isolation   '  = Zahl der Populations-Generationen  ' = Mischungszahl Populationen  = Mischungszahl Individuen Darwin Mendel Wright HaldaneFisher Populationsgegentiker

236 Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra ) ( b ba a b a     ))(( 22 bababa    1cossin 22  xx 2 / / b c a b c ba  )2( 6 5 )1(       xxxxxx xx

237 1 + 1 ( ) 2 - gliedrige Wettkampfsituation- ES , +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra

238 ( ) - ES  +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra /  Beispiel  = 2 ( ) - ES  +, / 2 Elter liefert nur die Hälfte der Erbinformation

239  ( ) - ES  +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra Beispiel: (1+ 6) 4 =

240  ( ) - ES  +, Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra Beispiel: = (1, 6) 8 + (1, 6) 8 4 (1, 6) 8 2,2,

241  ( ) - ES  +, Auf dem Weg zur geschachtelten Evolutionsstrategie  +, [ ]   ' = Zahl der Eltern-Populationen ' = Zahl der Nachkommen-Populationen   = Zahl der Eltern-Individuen  = Zahl der Nachkommen-Individuen  = Generationen der Isolation   '  = Zahl der Populations-Generationen

242 Biologische Entsprechung der Strategie-Schachtelung | Familie  Gattung { Art [ Varietät ( Individuum ) ] }  |

243 In kompakter Notation Geschachtelte Evolutionsstrategie Vier Bergsteiger, vier Kletterstile Verschiedene Mutationsschrittweiten Verschiedene Strategien

244 Vier Bergsteiger, vier Kletterstile Angsthase Kolumbus Heißsporn Amundsen

245 Neue Gründerpopulationen Geschachtelte Evolutionsstrategie (Gruppenevolution)

246 Evolutionsstrategische Optimierung eines Biegebalkens mit minimalem Gewicht

247 Evolutionsstrategische Optimierung eines Fachwerk-Krans mit minimalem Gewicht

248 Evolutionsstrategische Optimierung einer Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

249 Bogenbrücke Fischbauchbrücke Brücken Konstruktionen

250 Melancholie, Kupferstich von Albrecht Dürer aus dem Jahr 1514 Magisches Quadrat

251 Text

252 Qualitätsfunktion für ein 3  3-Quadrat n n n n n n n n

253 „Einen Naturvorgang verstehen heißt, ihn in die Mechanik zu übersetzen“ Hermann von Helmholtz

254 ? Streitfall Evolution !

255 Ende

256 Was zunächst nur ein kurioser Nebeneffekt war, der einige Verkehrsunfälle und den Absturz eines Testflugzeuges verursachte, wird zu einer Revolution, die Welt ähnlich grundlegend verändert wie die Erfindung der Dampfmaschine. Die Rede ist vom so genannten Langsam- glas, Retardit genannt, das die Fähigkeit besitzt, Licht zu verlangsamen. Lichtstrahlen, die auf diese Kristalle treffen, brauchen, je nach Typ des Retardits zwischen Sekundenbruchteilen bis hin zu einigen Jahren, um es zu durchqueren. Ihren Erfinder machen diese Retardit-Scheiben zu einem schwerreichen, doch unglücklichen Mann; denn bei dem Versuch, die Emission des Lichts zu beschleunigen, um die gespeicherten Bilder früher abzurufen, kommt es zu einem Blitz, der seiner Frau das Augenlicht nimmt. Da wird zum ersten Mal deutlich, dass Retardit mehr kann, als nur Fenster mit Meerblick in die Großstadt zu bringen. Ärzten gelingt es, Retar- dit-Linsen anzufertigen, die eingefangenes Licht unter Umgehung der Netzhaut mit 24-stündi- ger Verspätung sichtbar machen. Das heißt, ein Mensch "lädt" die Linsen einen Tag lang auf, dann werden sie eingesetzt und geben ihre Bilder frei. Verkehrsbeleuchtung, Spionagetechnik, Verbrechensbekämpfung, bald ist Retardit nicht mehr wegzudenken aus der Welt… Zu Bob Shaws Erzählung „Andere Welten, andere Augen“

257 Es sind die Winkeleinstellungen gesucht, bei der das Plattensystem im Luftstrom des Windkanals den geringsten Widerstand aufweist. Die Lösung der Aufgabe ist selbstverständlich im voraus bekannt. Die ebene parallel angeströmte Platte (alle Winkel 180°) besitzt den geringsten Widerstand. Es geht in dem Experiment darum, zu beweisen, dass diese Lösung nach dem D ARWIN schen Prinzip auch gefunden wird (experimentum crucis).

258 Gesucht ist die Form einer rechtwinkligen Rohrumlenkung mit minimalen Strö- mungsverlusten. – Zum Versuchsaufbau: Ein flexibler Plastikschlauch wird zunächst in der Anlaufstrecke der Strömung in einem geraden Rohr geführt, dann in der Umlenkstrecke durch sechs verschiebbare Stangen gehalten und schließlich in der nachfolgenden Beruhigungsstrecke wieder in einem geraden Rohr geführt. Die sechs manuell verschiebbaren Stangen bilden die Variablen des Systems. Die Rohrstrecke ist doppelt ausgeführt. Beide Rohre werden vom selben Druckkessel gespeist. Ein Rohr ist der Elter, das andere Rohr der mu- tierte Nachkomme. Am Ende der Versuchsstrecke sind im Zentrum der Beruhi- gungsrohre zwei Pitotrohre platziert. Ihre Druckdifferenz zeigt an, ob sich der mutierte Krümmer gegenüber dem Elter verbessert oder verschlechtert.

259 Es stehen 350 Segmente mit konischen Bohrungen zur Verfügung. Der Durchmesser der Düse wird an einer Stelle mutativ verändert, indem jeweils zwei Ringe ausgetauscht werden. Bei richtiger Wahl der Ringe kann erreicht werden, dass die Anschlussdurchmesser links und rechts von der Mutations- stelle keinen Sprung erzeugen, während sich an der Berührungsstelle der beiden neuen Segmente beidseitig der mutierte Durchmesser befindet.

260 Nachkommen realisieren Der Experimentator realisiert die Anstell- und Staffelwinkel an den Modelltragflügeln von 12 Nachkommen. Die Verstellbarkeit ergibt sich durch der Verwendung von Bleistreifen an den Wurzeln der Flügelohren. Neue Generation Der Computer gibt die Protokollblätter aus, auf denen die von dem Programm berechneten Anstell- und den Staffelungswinkel der 5 Flügelohren von 12 Nachkommen ausgedruckt sind. Auftriebs und Widerstand messen Der Experimentator misst für jede Tragflügel den Auftrieb und den Widerstand. Er errechnet daraus den dimensionslosen Auftriebs- und Widerstandsbeiwert ( c a und c w ). Nachkommen bewerten Der Experimentator berechnet für jeden im Windkanal vermessenen Tragflügel das Verhältnis Je kleiner dieses Verhältnis ist, um so geringer ist die Sinkgeschwindigkeit des Flügels im Fluge. Eltern eingeben Der Experimentator sucht die 4 besten Tragflügeleinstellungen heraus. Er gibt die Nummern der Protokoll- blätter der 4 besten Nachkommen über die Tastatur in den Computer ein. Das Computerprogramm mischt und mutiert die Werte der Anstell- und Staffelwinkel.

261 Zwei Vögel sind in der Tagesthermik 1000 Meter hoch gestiegen. Sie sind müde und gleiten nun ohne Flügelschlag zu Boden. Vogel a (er könnte aus den Anfängen der Vogelevolution stammen) besitzt noch keine Flügelsprei- zung. Vogel b ist „durchevolutioniert“. Seine Schwungfederkonfiguration ist für geringstes Sinken optimiert. Wie viel mehr Zeit ist Vogel b länger in der Luft als Vogel a?

262 Mit den Daten aus dem Polardiagramm errechnet sich für den Vogel b eine ge- genüber dem Vogel a verlängerte Gleitzeit von 57 Sekunden. Das ist energetisch ein Vorteil. Vielleicht entdeckt Vogel b gerade in dieser ihm von der Evolution geschenkten Zeit noch eine Maus, die er zum Abend verspeist, während Vogel b leer ausgeht.

263 Es soll ein Magische Quadrat mit 21  21 Feldern entwickelt werden. Die Sum- me der Zeilen, der Spalten und der Hauptdiagonalen soll jeweils 2009 betragen. Und in der Mitte des Quadrats soll sich, wie im D ÜRER -Quadrat, die Jahreszahl 2009 markieren. Die Figuren einer Zwei, Null und Neun mögen durch eine Serie der Ziffern 2, 0 und 9 gebildet werden. Es handelt sich bei der Lösung zwangs- läufig um ein so genanntes unechtes Magisches Quadrat, da Zahlen doppelt vorkommen können und müssen.


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