數字進化到底有什麼神奇之處？答案就在這50位專家的研究成果中

圖：pixabay

原文來源：arXiv

作者：Joel Lehman、Jeff Clune、Dusan Misevic、Christoph Adami、Julie Beaulieu、Peter J Bentley、Samuel Bernard、Guillaume Beslon、David M Bryson、Nick Cheney、Antoine Cully、Stephane Doncieux、Fred C Dyer、Kai Olav Ellefsen、Robert Feldt、Stephan Fischer、Stephanie Forrest、Antoine Fr′enoy、Christian Gagn′e、Leni Le Goff、Laura M Grabowski、Babak Hodjat、Laurent Keller、Carole Knibbe、Peter Krcah、Richard E Lenski、Hod Lipson、Robert MacCurdy、Carlos Maestre、Risto Miikkulainen、Sara Mitri、David E Moriarty、Jean-Baptiste Mouret、Anh Nguyen、Charles Ofria、Marc Parizeau、David Parsons、Robert T Pennock、William F Punch、Thomas S Ray、Marc Schoenauer、Eric Schulte、Karl Sims、Kenneth O Stanley、Fran?cois Taddei、Danesh Tarapore、Simon Thibault、Westley Weimer、Richard Watson、Jason Yosinski

「雷克世界」編譯：嗯~阿童木呀、KABUDA

可以這樣說，在自然界中，進化為複雜而微妙的適應性提供了一個有創造性的源泉，常常讓發現它們的科學家感到驚訝。然而，進化的創造性並不局限於自然界——在計算機環境中進化的人工有機體也引起了研究人員的驚訝和好奇。進化過程是一種超越了其發生的基質的演算法過程。事實上，數字進化領域的許多研究人員可以舉例說明他們的進化演算法和有機體是如何創造性地顛覆了他們的預期和意圖，暴露了他們代碼中未被識別出的漏洞，產生了意想不到的適應性，或者與自然界中所發現的行為和結果進行不尋常地相融合。這種故事通常在數字世界裡通過進化揭示出驚奇和創造性，但是它們很少符合標準的科學敘述。相反，它們通常僅僅被當作是需要克服的障礙，而不是憑自己的權利進行研究的結果。漏洞是固定的，實驗被重新聚焦了，一次意外性事件則崩潰成了一個單獨的數據點。這些故事本身是通過口口相傳在研究人員間進行交換的。但是這種信息傳播的模式是低效的，並且容易出現錯誤和徹底損失。此外，這些故事往往僅在從業者間分享。這意味著很多自然科學家沒有意識到數字有機體有多麼有趣和逼真，以及它們的進化有多麼自然。據我們所知，以前沒有發表過這樣的逸聞趣事集合。本文是人工生命和進化計算領域研究人員的合力之作，他們提供了有關這些案例的第一手資料。因此，它是一個書面的、進行了事實核查的集合，囊括了在科學上重要，甚至有趣的故事集合。在此過程中，我們也提供了大量的證據證明，進化的存在和重要性早已超越了自然界，並且甚至可能是所有複雜進化系統的普遍屬性。

進化為生命挑戰提供了無數個有關創造性、神奇性和複雜性解決方案的例子。步入，有些花可以作為聲學信標以吸引回聲定位蝙蝠、極端微生物修復它們的DNA以便能夠在存有極端輻射的環境下茁壯成長、射炮步甲蟲（bombardier beetles）使用具有爆炸性的化學反應擊退掠食者、寄生蟲重新對宿主大腦進行編程，為了自身利益而誘導其自殺，諸如此類的例子比比皆是，涵蓋了整個生物系統。而即使經驗豐富的野外生物學家仍然對他們所發現的新適應性感到驚訝。

利用潛在的能量進行撐桿跳。進化發現，生成一個能夠進行翻轉和倒置的生物要比製造一個能夠進行積極跳躍的機制簡單得多

因此，可以說，生物進化的過程是極其具有創造性的，至少從某種意義上說，對於它所產生的那種驚人的和複雜的解決方案，如果是由人類產生的話就會被認為具有創造性的。但是，進化的創造性不一定要受制於有機世界。獨立於其自身的物理介質，在任何複製、變異和選擇相交的地方都可能發生進化。因此，進化可以作為一個計算機程序以數字形式進行實例化，可以通過實驗研究進行進化或通過定向數字育種解決工程難題。與生物進化相類似，數字進化實驗經常產生一些奇怪的、令人驚訝的和具有創造性的結果。事實上，進化常常揭示出，研究人員實際上所要求的東西與他們所自認為想要的東西是完全不同的，而與那些以一種意想不到的方式滿足請求中字母的故事並沒有太大的不同。有時候，進化揭示了代碼中隱藏的錯誤，或者顯示出與生物學的驚人融合。而其他時候，進化會通過提供聰明的解決方案而讓調查人員感到驚喜，因為他們沒有考慮或者並不認為這些是不可能的。

強制抓取軌跡的快照

儘管已經公布了一些令人意想不到的結果，但大多數都還未公布，而且過去未曾被一起公布過，而現如今，它們都彙集在一起了。傳播的一個障礙是，諸如這樣無法預料的進化結果往往導致進化阻礙了研究人員的意圖：通過利用代碼中存在的缺陷、通過優化無趣的特徵或通過未能回答預期的研究問題等方式。也就是說，這種行為往往被看做是一件令人沮喪的事情，而非是有趣的科學現象。此外，驚奇是主觀的，因此與科學出版物期望的客觀語言和敘述不相符合。因此，大多數軼事只是通過口頭傳播，在研究小組、會議中提供笑聲和討論，並在會談中作為幽默的慰藉。但這種溝通並不能以一種持久和穩定的方式為整個領域提供信息。

重要的是，這些關於數字進化的故事，「超越」數字進化研究員所提供的的，它們不僅僅是謙遜的練習，還為從業者提供了極具建設性的知識見解與洞察力，因為它們展示了這些障礙的普遍性，以及在必要時如何克服這些障礙。此外，這些案例還表明，強大的數字進化模型不會盲目地反映出其創造者的意願與偏見，相反，它們有足夠的深度以產生意想不到的結果與新的見解。同時，進化生物學及植物育種研究者可能會對這些案例感興趣，因為它們與生物進化的創造性具有令人信服的相似之處。

基於這些原因，本文強調了演算法進化中包含的驚奇性和創造性，旨在記錄、整理、傳播那些迄今為止通過口頭方式（這種方式很容易出錯並徹底喪失）傳承下來的信息。

當使用數字進化解決實際問題時，最常見的方法是讓實驗者選擇一個能夠反映搜索目標的適應度函數。這種適應度函數往往是簡單的定量測量，似乎能夠直觀地捕捉成功結果的關鍵特徵所在。可以說，這些措施是進化演算法（evolutionary algorithm，EA）的關鍵，因為它們作為渠道以引導搜索的進行：育種（Breeding）偏向於具有較高擬合度分數的個體，希望它們能夠進一步提升其擬合度，最終達到最終的預期效果。

利用潛在的能量來運動。進化發現，設計一個能夠進行高度運行的高大生物要比發現積極運動策略簡單得多。左邊的圖顯示了試驗開始時的生物，右邊的圖顯示了隨著時間的推移，該物體會不斷下降並進行翻轉以保持前進

通過一系列事例，我們回顧了數字進化帶來的許多驚人的和富有創造性的解決問題的方法。這些事例的多樣性和豐富性表明，數字進化中的驚喜是普遍存在的，並非是罕見的。這些軼事的普遍存在意味著創造力不僅局限於自然界的進化，而是所有進化過程的普遍特性。

因此，這些軼事可以作為證據，證明進化（無論是生物進化還是計算計劃）具有內在的創造性，並值得期待它為我們帶來驚奇、喜悅與超越。

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