Evolutionsstrategie: Nach dem Vorbild der Natur optimiert

Best Practices // 31. Juli 2014

Evolutionsstrategie: Nach dem Vorbild der Natur optimiert

Bionik-Innovation
Schon vor etwa 50 Jahren entwickelten die Professoren Ingo Rechenberg und Hans Paul Schwefel ein technisches Optimierungsverfahren nach dem Vorbild der biologischen Evolution. Die sogenannte Evolutionsstrategie überträgt die Grundmechanismen der biologischen Evolution auf technische Prozesse. Ziel ist das optimale Produkt. Dabei werden Lösungsvorschläge für ein Optimierungsproblem so lange auf der Basis von Zufallsprozessen analog der biologischen Mutation verändert und kombiniert, bis durch Selektion die optimale Lösung gefunden wird. Analog zur Natur, in der sich die am besten an die Umwelt angepassten Individuen im Ausleseprozess durchsetzen, können über die Evolutionsstrategie Produkte entwickelt werden, die zum Beispiel schneller oder kostengünstiger als ihre Mitkonkurrenten sind.

Technische Anwendung
Optimierte optische Linsen, Entwicklung widerstandsminimaler Strömungskörper nach Pinguin-Vorbild, die Mischung von Galvanik-Rezepturen bis hin zur Optimal-Planung des Gesundheitssystems eines Landes – die Evolutionsstrategie kann zur Entwicklung von Produkten in fast allen Lebensbereichen eingesetzt werden. Sie funktioniert auch bei der sogenannten unscharfen Optimierung: zum Beispiel bei der Erzeugung von Phantombildern bei der Polizei oder der subjektiven Komposition von Kaffeemischungen.

Bionisches Funktionsprinzip
Wie beim biologischen Vorbild werden Lösungsvorschläge, die mittels Mutation und/oder Rekombination zur Generierung neuer Lösungsvorschläge verwendet werden, als Eltern-Individuen bezeichnet. Die daraus resultierenden Lösungsvorschläge nennt man Nachkommen-Individuen. So wie es in der Natur Individuen gibt, die mehr oder weniger gut an ihre Umwelt angepasst sind, gibt es auch im technischen Fall Individuen, die das Optimierungskriterium eher erfüllen als andere. Den starken Abstraktionsgrad der Evolutionsstrategie kann man daran erkennen, dass im Gegensatz zum Vorbild Natur, wo die Nachkommen meist zwei Eltern haben, hier die Nachkommen auch nur ein Elternteil oder viele Eltern haben können. Dabei ist die Evolutionsstrategie eine Optimierungsmethode, die sehr robust ist. Auch wenn nicht immer der beste Nachkomme ausgewählt wird, führt die Evolutionsstrategie auch bei fehlerhaften Bewertungen letztlich zu einer Optimallösung.

Vorbild aus der Natur
Tiere und Pflanzen haben sich in Milliarden von Jahren optimal an ihren jeweiligen Lebensraum angepasst. Möglich wird das durch das Prinzip der biologischen Evolution, durch die mittels Mutation und Rekombination die genetischen Informationen der Lebewesen ständig variiert und durch anschließend Selektion die besten Baupläne beibehalten werden. Die Selektion ist dabei das eigentliche Steuerelement, da sie nach der durch Zufallsprozesse bestimmte Mutation und Rekombination die Richtung bestimmt, in die sich die jeweiligen Lebewesen entwickeln.

>> Zitat <<

„Alles was gegen die Natur ist, hat auf die Dauer keinen Bestand.“
Charles Darwin

>> Glossar <<

Evolution: aus dem lat. evolvere: „ausrollen“, „entwickeln“, „ablaufen“.

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