Viele technische Prozesse laufen nach einem der biologischen Evolution ähnlichen Prinzip ab. Die Natur hat in ihrer Jahrmillionen andauernden Evolutionsgeschichte perfekt an die Umwelt angepasste Organismen hervorgebracht. Der Wissenschaftszweig Bionik versucht diese Errungenschaften der Natur für den Menschen nutzbar zu machen.
Technische Optimierungsverfahren
Die ständige Verbesserung von Bauteilen und Produkten sind für das produzierende Gewerbe und die Industrie unablässig, um konkurrenzfähig zu bleiben. Somit durchlaufen Bauteile und chemische Mischungen von Substanzen, wie zum Beispiel Kaffee- oder Gewürzmischungen, einen aufwendigen und teuren Optimierungsprozess bis sie zur Marktreife kommen. Die Praxis hat gezeigt, dass evolutionäre Algorithmen gegenüber herkömmlichen mathematischen Verfahren häufig bessere Ergebnisse liefern.
Evolutionstheorie: „Über die Entstehung der Arten“
Charles Darwin ist der Begründer der Evolutionstheorie. Sie erklärt und beschreibt die Entstehung der Arten als das Ergebnis der Evolution. Die Theorie zur natürlichen Selektion erklärt die langsame Aufspaltung der Arten als eine Folge der Anpassung der Lebewesen an ihre Umwelt. Der natürlichen Selektion liegt die Überlegenheit des Stärksten beziehungsweise des an die Umwelt am besten angepassten Individuums zugrunde. Die Umweltbedingungen, auch Selektionsfaktoren genannt, bestimmen die evolutionäre Entwicklung einer Art. Die Anpassung der Individuen einer Population erfolgt über zufällige genetische Mutationen. Erweist sich eine genetische Veränderung eines einzelnen Lebewesens als erfolgreich, so wird diese Modifikation an die Nachkommen vererbt und setzt sich langfristig durch die Entstehung einer neuen Art durch.
Die Evolutionsstrategie
1964 entwickelten die deutschen Wissenschaftler Ingo Rechenberg und Hans-Paul Schwefel von der Technischen Universität Berlin ein Optimierungsverfahren, welches sich auf die Prozesse der Evolutionstheorie stützt. Charles Darwins Evolutionstheorie stützt sich auf die beiden Mechanismen Variation und Selektion. Die Prinzipien, die bei der Evolution der Organismen gelten, können auch auf technische Optimierungsverfahren angewendet werden. Die Optimierung nach dem natürlichen Vorbild läuft in vier Schritten ab:
- Festlegung der Variablen des zu optimierenden Objektes
- Veränderung der Variablen per Zufall innerhalb definierter Größen (Variation)
- Bewertung und Auswahl derjenigen Ergebnisse, die dem Optimierungsziel an nächsten kommen (Selektion)
- Bei mehreren Optimierungsdurchläufen werden nun die Zufallsverteilungen variiert, um die Qualität weiter zu verbessern.
Ein klassisches Beispiel ist die Ermittlung des optimalen Verlaufs eines Umlenk-Rohres mit den geringsten Strömungsverlusten: Es wird ein Modell mit einer rechtwinkligen Rohrumleitung entwickelt. Über sechs variable Halterungen wird nun schrittweise die Biegung des Rohres verändert und die Strömungsverluste ermittelt. Die Rohrbiegung mit den geringsten Strömungsverlusten ergibt sich aus dem Experiment.
Neuronale Netze bilden die Basis für die evolutionären Algorithmen
Neuronale Netze sind Nachbildungen der Gehirnstrukturen im Computer ab. Im Gehirn sind Neuronen und Gliazellen netzartig miteinander verknüpft. Zwischen ihnen findet auf chemischem und elektrischem Weg ein Informationsaustausch statt. Diese künstlichen neuronalen Netze sind sehr viel leistungsstärker als Zentralrecheneinheiten. Die beste Lösung für ein Problem berechnen künstlich neuronale Netze mit hoher Genauigkeit in relativ kurzer Zeit.