身体的智能：6.4真实世界中的人工进化：关于管道、天线和电路

既然我们对遗传算法如何工作有了一个基本了解，我们可以重新研究弯曲管道这个工程问题。对于管道最优化问题，Rechenberg使用的具体进化算法被称为进化策略（evolution
strategy）。和其他算法类似，进化策略也模仿了自然进化的某些侧面，但它特别适用于工程问题（因为它是针对实数操作而设计的）。Rechenberg 设计了一种巧妙的装置。他将进化策略应用于真实世界的物理系统，而非通过计算机程序对仿真管道进行进化。如图6.1（a）所示，基因组对附着于柔性管道的若干拉杆的位置进行编码，从而得到了某种特定的形状。对那些能产生更高流量管道的基因组进行重组和变异操作（除了变异之外，在进化算法中重组也经常使用，它模仿有性繁殖，通过两个个体的基因组结合来产生后代。在本书中，这个过程经常被称为交叉）。这个方法的创新之处在于其适应度测试方法，其对个体执行任务效果的测试是在真实世界中自动进行的，避免了每次手工配置管道。这里，所谓“个体”指的是问题解决方案，即由拉杆位置所决定的管道形状。

Rechenberg富有远见地意识到进化结果最终必须在真实世界进行测试。目前不管是什么问题，大多数解决方案都借助计算机仿真进行进化。三十多年后，Rechenberg的这一思想在与人竞争的工程设计和进化机器人学（见6.5节）中重新采用，研究人员开始在真实世界中测试表现型，即物理设备。

一个新近的例子是天线设计。即便对于专家，要找到天线的合适形状以最大化发送和接收信号的功率也是非常困难并且不直观的难题，尤其是对于长距离传输的情形。NASA（美国航空航天局）最近开始将进化算法用于天线的自动化设计，图6.1（b）是一种设计方案。事实上，图示的天线2006年作为ST-5卫星的一部分已发射上天。从进化过程所产生的各种奇特形状，可以知道，绝不可凭空想象出最优形状。事实证明由进化方法所发现的一些有创造力的解比人类设计者的解更好。为了测试某一天线设计的适应度，人们花了数年的时间以发展功能强大的软件。最后一步，在真实世界中对经仿真进化得到的天线进行实现和测试。一般来说，如果仿真器足够精确，仿真结果可以而且应该被采纳，因为这比构建物理系统进行重复测试

要快得多；但真实世界中的测试不能完全省略。

然而，真实世界的测试并不总是缓慢而且昂贵的。例如，在电路设计领域，使用所谓现场可编程门阵列（FPGAs）可以非常迅速地配置电路。FPGAs本质上是一种微处理器，用户能针对特定的应用配置和优化自己的专用电路。这一电路是物理配置的而不是在微处理器上仿真的。配置过程由一台计算机控制，这台计算机定义了在FPGA上一个所谓的电路定义存储器的内容。这台计算机也可运行进化算法。

英格兰Sussex大学的进化计算机专家Adrian Thompson使用FPGAs来配置和测试进化电路，使其能够区分高频和低频音调。因为他在真实世界进行进化，即借助真实的电子电路，FPGA本身的材料特性被进化电路所利用！在进化得到的电路能区分高频与低频之后，Thompson使用另外一个计算机程序来确定FPGA上哪些元器件同电路中哪些元器件相互连接。这个程序移除所有未连接在线路上的元器件；可以假定这些元器件不起任何作用。但是，让他和所有同事们惊讶的是，当这些元器件移除后，电路不再工作了。Thompson得出结论，未连接的元器件和电路之间肯定存在弱电磁相互作用。当1996（Tompson，1996）年在斯坦福大学的一次会议上，他首次宣布由进化所“找到”的这个方案时，震惊了科学界和公众。

进化得到的电路有悖于模块化这一基本工程原理，因为尽管一些单元未连接到电路上，它们仍然影响了电路的功能。进化利用电路本身特定的物理性质跨越了模块化原理。

人工进化，尽管是人工的，却能得到一些有时能显示出生物体特征的创造物产品。如我们在讨论冗余性原理时所述，生物系统不可能完全模块化，但是，一些自然系统上模块在某种程度上发挥了功能。眼睛作为生物“模块”的一个例子，用于定位和辨别危险、阅读、测量速度、分辨物体、识别人脸等。但是，当听众观察说话者嘴唇运动时，眼睛也为理解讲话提供额外的信息。因此，眼睛具有多重功能，与其他功能模块，如耳朵、嗅觉器官或者皮肤（你可以通过看或者触摸来判断一个物体的粗糙程度）在功能上重叠。这与标准工程原理，即系统中每个元器件只具有一种独立功能，是完全矛盾的（Suh，1990）。通常这么做既是为了能够独立设计元器件，又能方便地识别和替换功能失灵的模块来修复系统。

另一个里程碑式的实验，也是在Sussex大学由Jon Bird和Paul Layzell完成的（Bird和Layzell，2002），一个电路，不借助任何内部时钟，经由进化得到了一个振荡信号。其结果再次令人震惊。从零开始，电路进化为一个无线电接收器，这个电路能捕捉邻近计算机发出的时钟信号。显然，计算机发射的电磁波中包含了时钟信号的信息，进化利用了它。这是由人工进化自身进化出新型传感器形态（在本例中，感知电波信号）的首例。试想，如果电路是在一个不含电磁波模块的仿真环境中进行进化，那么这种独特的利用环境的方式是不可能的。

这些例子表明，进化不仅能设计一些我们未曾想到过的东西，也以一种创新的

方式利用周围环境以达到目的。回忆一下第3章，智能体的一个特点就是它们有能力利用它们的环境（顺应性）以产生不同种类的行为（多样性）。人工进化趋于利用这一特性来创造发明，从而增强了多样性–顺应性这一思想的有效性，从其他机器上“窃取”信号看上去是相当聪明的技巧。我们在许多领域中都希望进化得到更复杂的设计，这些技巧在数量和复杂度上将不断增加，直到有一天我们能实现真正智能体的自动设计。沿着这个方向，我们能更多地了解一般意义上的智能，而不仅限于生物智能。