PowerPoint-Folien zur 1. Vorlesung „Evolutionsstrategie I“

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 Präsentation transkript:

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

Biologische Evolution in Kurzform

Schleimklumpen in der Ursuppe der Erde 1 Schleimklumpen in der Ursuppe der Erde

Im Urozean entwickeln sich die Fische 2 Im Urozean entwickeln sich die Fische

Vorsichtig erobert das Leben das Land 3 Vorsichtig erobert das Leben das Land

Unsere Vorfahren erklettern die Bäume 4 Unsere Vorfahren erklettern die Bäume

Die Krönung der Evolution denkt über seine Entstehung nach 5 Die Krönung der Evolution denkt über seine Entstehung nach

Evolutionsstreit

und worum es dabei geht

Die Zweifel in Darwin 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“

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

Von den Anfängen der Evolutionsstrategie

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

Andere Tage, andere Augen Bob Shaw Andere Tage, andere Augen Text

Science-Fiction: Langsamglas (Retardit)

Lichverzögerung im Chip Meldung vom 19. 3. 2005 Ausgebremstes Licht Siliziumchip verlangsamt Lichtpulse um ein Hundertfaches Wissenschaftler der Stanford-Universität in Kalifornien haben einen photonischen Kristall hergestellt, der die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtpulsen um den Faktor Hundert herabsetzen kann. Meldung vom 9. 9. 2010 Lichverzögerung im Chip In einer gasgefüllten hohlen Glasfaser wurde Infrarotlicht auf ein 1200-stel der Lichtgeschwindigkeit abgebremst.

Anatolij Dnjeprow Insel der Krebse: Eine Science-Fiction-Erzählung über künstliche Evolution. Die Geschichte ist Ausgangspunkt für die Entwicklung der Evolutionsstrategie 1964. http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/skript/inskreb.htm

Der Versuch von Ingenieur Cookling

Insel der Krebse Evolution á la DARWIN Kampf ums Dasein Exponentielle Vermehrung Selbstreproduktion mit Fehlern U. Berg Insel der Krebse

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.

Insel Windkanal Stahlhautprofil Krebs Verstellbarkeit anstelle der Selbstreproduktion Zufällige Verstellung anstelle der fehlerhaften Selbstreproduktion

Idee für ein mechanisches Evolutionsexperiment

„Darwin“ im Windkanal Schlüsselexperiment mit der Evolutionsstrategie 1964 Text

Zahl der Einstellmöglichkeiten: 515 = 345 025 251

Analogien - Evolutionsstrategie Biologie Technik 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

Fiktive Mutationsmaschine GALTONsches Nagelbrett Senkrecht aus der Wand ragende Nägel Fiktive Mutationsmaschine GALTONsches Nagelbrett

Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

Ändern der Umwelt

Künstliche Evolution: Gelenkplatte im Windkanal

18. November 1964

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

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

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

Heißwasserdampfdüse für das Evolutionsexperiment mutierbar gemacht Text

SCHWEFELs Evolutionsexperiment mit einer Heißwasserdampfdüse 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 35 31 32 33 34 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 SCHWEFELs Evolutionsexperiment mit einer Heißwasserdampfdüse

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

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

Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

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

Evolution eines Spreizflügels im Windkanal Generation 3 6 9 15 12 18 21 24 Evolution eines Spreizflügels im Windkanal 27

Spreizflügel versus Normalflügel Diplomarbeit: Michael Stache Spreizflügel versus Normalflügel 0216 , min 3 2 = ÷ ø ö ç è æ a w c 0188 , min 3 2 = ÷ ø ö ç è æ a w c

Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

? ? Evolutions- Wettkampf Text

Formel für die Sinkgeschwindigkeit Daten für Bussard Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m2 g = 9,81 m/s2 r = 1,1 kg/m3 Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel ohne Spreizung Für den Vogel mit Spreizung

Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec 14 min 30 sec Evolutions- Wettkampf Text

Es gibt viele Evolutionsstrategien (1 , l)-ES (m , l)-ES (m /r , l)-ES

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

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

(m , l)-ES m = 2 l = 7 Evolutionsstrategie mit mehreren Eltern und Nachkommen

(m /r , l)-ES m = 2 r = 2 l = 8 Evolutionsstrategie mit Mischung der Variablen (Erbanlagen)

Entwicklung der Evolutionsstrategie Darwin Mendel Wright Haldane Fisher Populationsgegentiker m' = Zahl der Eltern-Populationen l' = Zahl der Nachkommen-Populationen m = Zahl der Eltern-Individuen l = Zahl der Nachkommen-Individuen g = Generationen der Isolation g ' = Zahl der Populations-Generationen r' = Mischungszahl Populationen r = Mischungszahl Individuen

evolutionsstrategischen Algebra Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra 2 / b c a = 2 ) ( b a + = ) 2 ( 6 5 1 3 - + = x ) )( ( 2 b a - + = 1 cos sin 2 = + x

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

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

, m l ( ) - ES (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6) = Beispiel: g + Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra , g ( m l + ) - ES Beispiel: (1+ 6) 4 (1+ 6) = (1+ 6) (1+ 6) (1+ 6)

,  m l l ( ) - ES 2 , 4 (1, 6)8 (1, 6)8 + (1, 6)8 + (1, 6)8 + (1, 6)8 Auf dem Weg zu einer evolutionsstrategischen Algebra  , g l ( m + l ) - ES Beispiel: 2 , 4 (1, 6)8 (1, 6)8 + (1, 6)8 + (1, 6)8 + (1, 6)8 =

, , [ m   l m ] l ( ) - ES  m' = Zahl der Eltern-Populationen Auf dem Weg zur geschachtelten Evolutionsstrategie g g  [ m  ,  l ( m , ] + + l ) - ES m' = Zahl der Eltern-Populationen l' = Zahl der Nachkommen-Populationen g ' = Zahl der Populations-Generationen m = Zahl der Eltern-Individuen l = Zahl der Nachkommen-Individuen g = Generationen der Isolation

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

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

Vier Bergsteiger, vier Kletterstile Angsthase Kolumbus Amundsen Heißsporn Vier Bergsteiger, vier Kletterstile

Geschachtelte Evolutionsstrategie (Gruppenevolution) Neue Gründerpopulationen Geschachtelte Evolutionsstrategie (Gruppenevolution)

Evolutionsstrategische Optimierung eines Biegebalkens mit minimalem Gewicht

Evolutionsstrategische Optimierung eines Fachwerk-Krans mit minimalem Gewicht

Evolutionsstrategische Optimierung einer Fachwerkbrücke mit minimalem Gewicht

Brücken Konstruktionen Fischbauchbrücke Bogenbrücke

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

2 0 1 2 Text

n 1 4 7 2 5 8 3 6 9 Qualitätsfunktion für ein 3 3-Quadrat

„Einen Naturvorgang verstehen heißt, Hermann von Helmholtz 1821-1874 „Einen Naturvorgang verstehen heißt, ihn in die Mechanik zu übersetzen“

? ! Streitfall Evolution

Ende www.bionik.tu-berlin.de

Zu Bob Shaws Erzählung „Andere Welten, andere Augen“ Was zunächst nur ein kurioser Nebeneffekt war, der einige Verkehrsunfälle und den Absturz eines Testflugzeuges verursachte, wird zu einer Revolution, die 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…

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 DARWINschen Prinzip auch gefunden wird (experimentum crucis).

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.

Es stehen 350 Segmente mit konischen Bohrungen zur Verfügung 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.

Nachkommen realisieren 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. 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. Auftriebs und Widerstand messen Der Experimentator misst für jede Tragflügel den Auftrieb und den Widerstand. Er errechnet daraus den dimensionslosen Auftriebs- und Widerstandsbeiwert (ca und cw). 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.

Zwei Vögel sind in der Tagesthermik 1000 Meter hoch gestiegen 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?

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.

Es soll ein Magische Quadrat mit 21  21 Feldern entwickelt werden 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 DÜRER-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.