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Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie

Hausarbeit 2018 34 Seiten

Biologie - Evolution

Leseprobe

I. Gliederung

II. Abbildungsverzeichnis

III. Tabellenverzeichnis

IV. Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung.
Zielsetzung und Aufbau

2. Evolutionstheorie
2.1 Evolutionsforschung
2.2 Evolutionstheorie nach Charles Darwin
2.2.1 Erblichkeit und Selektion
2.2.2 Gemeinsame Abstammung

3. Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren
3.1 Definition der Evolutionsstrategie
3.2 Mechanismus
3.2.1 Initialisierung der Startpopulation
3.2.2 Variation der Variablen
3.2.3 Selektion
3.2.4 Abbruchkriterium
3.3 Basis-Algorithmen
3.4 Zentrale Gesetz des evolutionären Fortschritts
3.5 Schwache und starke Kausalität
3.6 Erzeugung von Zufallszeiten
3.7 Stärken und Schwächen der Evolutionsstrategie
3.8 Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie

4. Praxisbeispiele der Evolutionsstrategie
4.1 Optimierung 90° Rohrkrümmers
4.2 Optimierung einer Produktionssteuerung
4.3 Optimierung des Querbalkens einer Portalfräsmaschine

5. Zusammenfassung und Fazit

V. Literaturverzeichnis

II. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Darwin Finken

Abbildung 2 Abstammungslehre – ein grober Stammbaum

Abbildung 3 Ablauf eines Evolutionären Algorithmus

Abbildung 4 Der Darwinweg

Abbildung 5 Das zentrale Fortschrittsgesetz der Evolutionsstrategie

Abbildung 6 Startposition

Abbildung 7 Optimierungsprozess

Abbildung 8 Ergebnisse erster strömungstechnisch optimierter Bogen Geometrien

Abbildung 9 Simulationsmodell

Abbildung 10 Ergebnisse der Materialflusssimulation mit konstanten Werten

Abbildung 11: Beispiel eines Querbalkens in einer Portalfräsmaschine

III. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Basis-Algorithmen

Tabelle 2 Erweiterte Basis-Algorithmen

Tabelle 3: Vergleich der natürlichen Evolution mit der Evolutionsstrategie

Tabelle 4 Parameter

IV. Abkürzungsverzeichnis

Evolutionsstrategie ES Beispielsweise Bspw

1. Einleitung

Seit knapp vier Milliarden Jahren lebt unser Planet. In dieser Zeit hat die Natur Antworten auf nahezu alle Fragen des Lebens entwickelt und optimiert. Aufgrund dieses Prozesses der Evolution, entwickelte J.B. Lamarck 1809 ein Theoriegebäude des Artenwandels und gilt so als einer der Urväter der Evolutionstheorie. 1859 veröffentlichte Charles Darwin seine Evolutionstheorie, den Darwinismus. Er befasst sich hauptsächlich mit der natürlichen Auslese, wobei Änderungen im Erbgut, über zufällige Rekombination an die Nachkommen vererbt werden.

Dieses Prinzip der Natur will der Mensch lernen zu begreifen. Denn der „menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen [...], doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner, ökonomischer und geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts, und nichts ist zu viel.“1Bionik ist die wohl bekannteste Methode hierfür. Sie befasst sich mit der Aufgabe natürliche Prinzipien zu verstehen und daraus ökologische und optimierte technologische Lösungen abzuleiten.2 Ein klassischer Ansatz in diesem Bereich ist die Evolutionsstrategie (ES),3 welche auf den Prinzipien der Evolutionstheorie aufbaut. Was sie beinhaltet und wie sie angewendet wird, gilt es in dem vorliegenden Assignment zu erörtern.

Zielsetzung und Aufbau

Ziel der Arbeit ist es eine Einführung in die ES zu bieten, die sowohl die Stärken und Schwächen, als auch die Unterschiede zur Evolutionstheorie herausarbeitet. Hierfür werden in Kapitel zwei die Evolutionstheorie nach Charles Darwin vorgestellt. Anschließend wird die ES definiert und ihr Mechanismus als technisches Optimierungsverfahren erläutert. In Kapitel 3.8 werden die Ähnlichkeiten zwischen der Evolutionstheorie und der ES aufgezeigt. Anschließend werden die Stärken und Schwächen herausgearbeitet. In drei Anwendungsbeispielen wird das Vorgehen einer ES veranschaulicht. Als erstes geht es um die Optimierung eines 90° Rohrkrümmers, gefolgt von der einer Produktionssteuerung in Hinblick auf Energieeffizienz und der Optimierung einer Fräsmaschine. Abschluss der Arbeit bildet die Zusammenfassung unddiekritischeReflexion.

2. Evolutionstheorie

2.1 Evolutionsforschung

Bis zu den Anfängen des 18. Jahrhunderts ging man in der Biologie davon aus, dass ein natürliches System ein statisches Gebilde sei. Doch die Zweifel an der Unveränderlichkeit der Arten mehrten sich im Laufe der Zeit.4 Neben vereinzelten Forschern, erregte Lamarcks Werk „Philosophie Zoologique“5 1809 als eine der ersten systematischen Evolutionstheorien breites Aufsehen. Er ging davon aus, dass sich Organismen aktiv an ihre Umwelt anpassen. Organe würden beispielsweise (bspw.) durch die Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten sowie Licht, Wärme oder Elektrizität gebildet und umgebildet werden. Körperteile, die intensiv genutzt werden, entwickeln sich weiter, während nicht genutzte verkümmern. Die so entstandenen positiven Veränderungen waren erblich und wurde daher auf die nächste Generation übertragen. So wurden Eigenschaften und Verhaltensweisen genetisch erklärbar.6 Zudem glaubte er, die Evolution würde durch eine Tendenz zu immer größerer Komplexität angetrieben werden, hin zu hoch entwickelten Lebewesen - Mikroskopisch kleine Organismen, die sich aus unbelebter Materie bilden.7 Wenngleich seine Theorie mittlerweile widerlegt ist, war sie ein wesentlicher Ausgangspunkt für die Evolutionsforschung.

2.2 Evolutionstheorie nach Charles Darwin

1831 begann der englische Naturwissenschaftler Charles Darwin (1809-1882) seine fünfjährige Weltreise (1831-1836). Ziel dieser Reise war es, die südamerikanische Küste zu vermessen, um die Seekarten der britischen Marine zu aktualisieren.8 Auf seiner Reise bemerkte Darwin, dass Tiere und Pflanzen sich merklich unterschieden. Zudem fand Darwin Fossilien, die gewisse Ähnlichkeiten zu heutigen Lebewesen aufwiesen. Auf den Galapagos Inseln fand er finkenähnliche Vogelarten. Diese hatte es vom Festland auf die Galapagos Inseln verirrt, dachte er und vermutete, dass sie sich danachverschiedenentwickelthatten.9 ErbeauftragteVogelkundler,dieFinkenzu untersuchen, was Darwins Vermutung bestätigte.10 So hegte er Zweifel an der kirchlichen Lehre und war sich sicher, dass die Erde deutlich älter sein muss und sich zudem stetig verändert. Es ist nicht auszuschließen, dass Darwins Erkenntnisse unter anderem durch das Werk „Principles of Geology“ des Geologen Charles Lyell gefestigt wurden. Dennoch war es zur damaligen Zeit ein heikles Unterfangen diese Erkenntnisse kund zu tun, was dazu führte, dass Darwin seine Evolutionstheorie im Buch „Über die Entstehung der Arten“ („Origin of Species“) erst 23 Jahre später veröffentlichte.11

2.2.1 Erblichkeit und Selektion

Selektion beschreibt die natürliche Auslese der Individuen einer Art. Denn in einem ständigen Konkurrenzkampf ("Struggle for life") überleben nur diejenigen, die durch Zufall besser angepasst sind als ihre Artgenossen („survival of the fittest“). Diese Individuen zeugen Nachkommen und vererben dabei ihre Merkmale.12 Allerdings ist zu beachten, dass, im Gegensatz zu Lamarcks Ansicht, eben nicht jedes Merkmal vererbbar ist. Erworbene Eigenschaften bspw. können nicht vererbt werden.13

Wie T. R. Malthus mit seiner Bevölkerungstheorie belegt und Augustin-Pyrame sowie Darwin in ihren Werken aufgreifen, ist ein Kampf ums Dasein unvermeidlich, da mehr Individuen erzeugt werden (Reproduktion), als möglicherweise fortbestehen können. Folglich leben alle Wesen in einem Verhältnis harter Konkurrenz.14 Dabei kann jede Anpassung (Mutation) als Lösung eines oder mehrerer Probleme angesehen werden.15

In der Biologie werden Anpassungen als genetisch bedingte Anpassung bezeichnet, die durch Mutation und Selektion entsteht.16 Mutationen sind demnach die Ursache für die Veränderungen und Treiber der Evolution.17 Herbert Spencer schreibt diese Änderungen 1852 in seiner „Schöpfung und Entwicklung organischer Wesen“ dem Wechsel der Umstände zu.18 Werden die Wesen neuen Lebensbedingungen ausgesetzt,soerfahrensieÄnderungen.DieAnpassungistsomiteinNebenproduktder Selektion.19 Des Weiteren sind Nachkommen der gleichen Eltern nie identisch. Es kommt zur individuellen Verschiedenheit, die Lubbock am Beispiels der Hauptnerven des Coccus nachgewiesen hat.20 Gerade diese Verschiedenheiten werden oft vererbt und liefern so der natürlichen Zuchtwahl Material zur Einwirkung und zur Häufung.21 Die Natur ist bestrebt vorteilhafte Abänderungen zu erhalten und strebt nach Vollkommenheit, sodass bei der natürlichen Zuchtwahl meist die Wahl auf die überlegensten Individuen fällt.22 Überflüssige Merkmale werden so weniger oft vererbt, sodass diese nach und nach verschwinden. 23 Die oben erwähnte Erblichkeit ist demnach für die natürliche Zuchtwahl unerlässlich. Ferner wird dadurch die Divergenz der Charaktere gefördert.24 Der Gradualismus sagt aus, dass eben jene Divergenz in einem langsam fortschreitenden Wandel mit nur geringen Veränderungen von statten geht.25 Darwin spricht sich damit gegen eine sprunghafte Änderung der Arten aus (Salationismus) und übernahm damit die Theorie der Geologie. Eine wesentliche Erkenntnis Darwins war, dass es einen Zusammenhang zwischen der Entstehung neuer Arten und veränderten Umweltbedingungen gibt. Bspw. durch geografische Trennung werden sich Individuen einer Art über Generationen hinweg immer unähnlicher, bis sich letztlich verschiedene Arten darstellen26 (siehe auch Haeckels generelle Morphologie und natürliche Schöpfergeschichte27 ). Die Aufspaltung der Art nennt man auch Kladogenese. Den Vorgang als solchen beschreibt Darwin als Descendenz mit fortdauernder Abänderung.28

Eines der wohl bekanntesten Beispiele hierfür sind die Darwin Finken. Diese Singvögel kommen in 13 verschiedenen Arten auf den Galapagosinseln und mit einer weiteren Art auf der 800 km nordöstlich liegenden Cocosinsel vor. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, unterscheidensichdieArteninGröße,SchnabelbauundLebensweise.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Darwin Finken29

Darwin vermutet, dass sie alle auf eine einzige Stammform zurückgehen, die vermutlich vor zwei bis drei Millionen Jahren im späten Tertiär vom Festland auf eine Galapagosinsel verschlagen worden ist (siehe Abbildung 1). Diese Vermutung hat sich 1999 durch biochemische und molekularbiologische Untersuchungen bestätigt. Der Cocosfink nahm vor weniger als einer Millionen Jahre sein Leben als baumbewohnenden Finke auf und ließ sich erstmalig auf den Galapagos-Archipels nieder.30

2.2.2 Gemeinsame Abstammung

Baers Überzeugung, die auf der geographischen Verbreitung der Arten begründete ist, sagt aus, dass jetzt vollständig verschiedene Formen Nachkommen einer einzelnen Stammform sind.31 Diese gemeinsame Stammform lebte vor über einer Milliarde Jahren.3233

Diese Überzeugung teilt Darwin in seiner Theorie der Abstammungslehre. Er beschreibt in seinem Werk, wie sich die unterschiedlichen Arten aus einer einzigen heraus entwickelten.EinAusschnittdieserAbstammungshistorieistinAbbildung2zusehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Abstammungslehre – ein grober Stammbaum34

Jede Astgabel stellt eine neue Art dar. Miteinander verwandte Arten weisen dabei viele gemeinsame Merkmale auf. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass es auch ähnliche Merkmale gibt, die sich unabhängig voneinander durch äußere Bedingungen entwickelten.DiesnenntmandannKonvergenz.35

3. Evolutionsstrategie als technisches Optimierungsverfahren

3.1 Definition der Evolutionsstrategie

Bionik ist eine Wortkomposition aus Biologie und Technik. Dabei verfolgt sie das Ziel, „durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellungen zu lösen.“36 Dadurch ergeben sich, basierend auf der Vielfalt der biologischen Vorbilder, enorme Antwortmöglichkeiten auf technische Fragestellungen.37 Im Bereich der Informationsbionik und dort in der Untergruppe der Evolutionsbionik trifft man auf die ES. Die ES lässt sich ebenfalls von der Evolution (biologische Abläufe, Mutation, Rekombination, Selektion) natürlicher Lebewesen inspirieren, um mithilfe von stochastischen und metaheuristischen Optimierungsverfahren Lösungen für bestimmte Probleme zu entwickeln. Es handelt sich also um naturanaloge Optimierungsverfahren.38

Einer der Begründer ist George Friedman. Für seine Masterarbeit entwarf er 1956 eine nie gebaute Maschine, die mit dem Prinzip der natürlichen Selektion Schaltkreise entwickeln sollte.39 Ein weiterer Mitbegründer ist der Italiener Barricelli, der sich intensiv mit dem Thema des künstlichen Lebens auseinandersetzte. 1954 entwickelte er ein Konzept, bei welchem durch Zahlen repräsentierte Wesen auf einem zweidimensionalen Gitter "leben" und durch Mutation und Reproduktion zu neuen Generation geformt werden. Er zeigte, dass Strukturen im Stande sind, sich selbst replikativ zu bilden, also sich selbst in die nächste Generation kopieren.40 Zur gleichen Zeit war maschinelles Lernen ebenfalls ein interessantes Thema. So ließ 1950 der britische Informatiker Alan Turing verlauten: „Man muss mit dem Unterrichten einer Maschine herumexperimentieren und schauen, wie gut sie lernt. […] Es gibt einen offensichtlichen Zusammenhang zwischen diesem Prozess und Evolution.“41 George Box, ebenfalls Brite, schlug 1950 vor die Produktion in Chemiefabriken zu optimieren. Als Statistiker hatte er die Idee durch Variation der Parameter wie Temperatur oder chemischeZusammensetzungenmassive„TrialandError“Experimentedurchzuführen und die potenziellen Verbesserungen per Hand auszuwerten. Anschließend sollten die evaluierten Verbesserungen ebenfalls kombiniert und variiert werden. Man kann sich vorstellen, dass die Entscheidungsträger nicht sonderlich davon begeistert waren, an einer laufenden Produktion Versuche durchzuführen. Letztendlich wurde das Konzept bis Anfang der 1960er in mehreren Fabriken zur Steigerung der Produktivität angewandt.421960 griffen Ingo Rechenberg und Hans-Paul Schwefel43 diesen Drang nach Optimierung und stetiger Evolution auf und formulierten die ES. Seit jeher gelten sie als die Begründer der ES. Gleichzeitig entwickelte J. H. Holland in den USA einen ähnlichen Ansatz, den genetischen Algorithmus44. Beide befassen sich mit der Aufgabe natürliche Prinzipien zu verstehen und daraus ökologisch verträgliche und optimierte technologische Lösungen zu evaluieren.45 Die ES ist mittlerweile zu einer wichtigen Methode für die Industrie und der Forschung geworden.46

3.2 Mechanismus

Die ES durchläuft folgende Schritte:

3.2.1 Initialisierung der Startpopulation

Zu Beginn erfolgt eine Initialisierung, welche die Parametrisierung und Erstellung der Ausgangspopulation und ihrer Individuen umfasst. Die Variablen, die bei dem zu optimierenden Objekt verändert werden können, werden definiert. 47

3.2.2 Variation der Variablen

Die vorab definierten Variablen werden zufällig innerhalb bestimmter Größen variiert und so über mehrere Generationen hinweg eine Anzahl neuer Lösungen erstellt. Jedem Individuum wird entsprechend des Zielwertes und im Vergleich zu den anderen Individuen eine „Fitness“ zugewiesen. Darauf aufbauend werden die Individuen für die weitere Reproduktion ausgewählt. Unter Anwendung evolutionärer Operatoren und Rekombination werden wieder Individuen gezeugt. Dabei erfahren die Variablen der Individueneine„kleineStörung“(Mutationsschritt).48 JenachRepräsentationder Variable und der Zielfunktion, gibt es vier mögliche Verfahren zur Mutation,49 welche in diesem Assignment jedoch nicht erörtert werden.

3.2.3 Selektion

Die Individuen werden anschließend bewertet und es werden diejenigen ausgewählt, die dem Optimierungsziel am nächsten kommen. Das bedeutet, dass jedem Individuum der Population unter Anwendung einer Fitnessfunktion eine „Fitness“ zugewiesen werden muss. Diese Fitness setzt sich aus dem Zielfunktionswert des Individuums und aller anderen Individuen des Selektionspools, also alle Individuen die zur Auswahl als Eltern in Betracht gezogen werden, zusammen. Für die Fitnesszuweisung unterscheidet man verschiedene Verfahren (Proportionale, Reihenfolgebasierte, Mehrkriterielle) auf welche hier nicht weiter eingegangen wird.50

3.2.4 Abbruchkriterium

Im Laufe des Prozesses kommt es zur fortschreitenden Anpassung an die Zielstellung. Der Prozess wird, wie in Abbildung 3 gezeigt, solange wiederholt, bis das Abbruchkriterium erreicht ist. Das Abbruchkriterium kann dabei das Erreichen eines bestimmten Zielwertes, eine spezifische Anzahl von Generationen, das Verstreichen eines festgelegten Zeitrahmens oder das Ausbleiben von Fortschritt sein.51

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Ablauf eines Evolutionären Algorithmus52

Ein zentraler Begriff ist dabei die Zielfunktion. Sie befasst sich mit der Überlebenschance des Individuums im Hinblick auf die Zielerreichung. Somit ist jede Entwicklungsstufe eines technischen Objekts durch seine Parameter und der resultierenden Fitness gekennzeichnet.53 Übertragen auf die Evolutionstheorie definiert die Zielfunktion, welche Individuen selektiert werden.

[...]


1 Da Vinci, Leonardo.

2 Nachtigall, W./ Pohl, G., 2013, S.1.

3 Nachtigall, W./ Wisser, A., 2013, S.26 ff.

4 Wiesemüller, B./ Rothe, H./ Henke, W., 2003, S. 4.

5 Lamarck, J.B., 1809, o.S.

6 Lefèvre, W., 2001, S. 176-201.

7 Lefèvre, W., 2001, S. 176-201.

8 Hoßfeld, U./ Olsson, L., 2014, S. 101.

9 Reece, J./ et. al., 2015, S. 604ff.

10 Storch, V.; Welsch, U.; Wink, M., 2013, S. 24f.

11 Ayala, F., 2013, S. 13 ff.

12 Darwin, C., 1860, S.138.

13 Darwin, C., 2013, S.158.

14 Darwin, C., 1860, S.62.

15 Wrede, P./ Wrede, S., 2013, S.58.

16 Zrzavý J./ et.al., 2013, o.S.

17 Wrede, P./ Wrede, S., 2013, S.70.

18 Darwin, C., 2016, S.6.

19 Mayr, E., 2003, S. 188f.

20 Darwin, C., 2016, S.53f.

21 Darwin, C., 2016, S.53.

22 Darwin, C., 2016, S.107.

23 Darwin, C., 2016, S. 187.

24 Darwin, C., 2016, S.126.

25 Biesalski, H., 2015, S.4.

26 Darwin, C., 2016, S.240ff.

27 Darwin, C., 2016, S.417.

28 Darwin, C., 2016, S.240ff.

29 http://moodleemb.square7.ch/mediawiki-1.18.6/images/b/b8/Darwinfinken.jpg.

30 Darwin, C., 1871, S.49ff.

31 Darwin, C., 1860, S.8.

32 Darwin, C., 1860, S.138 und 2016, S.31.

33. Ayala, F., 2013, S.86.

34 https://www.schulentwicklung.nrw.de/sinus/upload/Dokumentation2011/N4a/uebersicht.jpg.

35 Vollmer, G., 2007, S. 237.

36 VDI-Gesellschaft Technologies of Life Sciences, 2012, o.S.

37 Stober, A., 2018, o.S.

38 Di Chio, C./ et al., 2012, o.S.

39 Bentley, P./ Corne, D., 2002, S. 10.

40 Rechenberg, I., 1994, o.S.

41 Turing, A.M., 1950, o.S.

42 Fogel, D.B., 2005, S. 59.

43 Rechenberg, I., 1973, o.S.

44 Holland, J.H., 1975, o.J.

45 Nachtigall, W. / Pohl, G., 2013, S.1.

46 Auf Mischformen des ursprünglichen Konzeptes wird im Rahmen dieser Arbeit nicht eingegangen.

47 Pohlheim, H., 2013, S.15f.

48 Pohlheim, H., 2013, S.15.

49 Pohlheim, H., 2013, S.15.

50 Pohlheim, H., 2013, S.16f.

51 Pohlheim, H., 2013, S.7f.

52 Pohlheim, H., 2013, S.9.

53 Rechenberg, I., 1973, S. 46 und Kost, B., 2003, S. 11.

Details

Seiten
34
Jahr
2018
ISBN (eBook)
9783668910218
ISBN (Buch)
9783668910225
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v459443
Institution / Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,0
Schlagworte
evolutionstheorie evolutionsstrategie

Autor

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Titel: Evolutionstheorie und Evolutionsstrategie