Evolutionsstrategien und Evolutionäre Algorithmen in der technischen Entwicklung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhangsverzeichnis

1. Einleitung

2. Evolutionstheorie
2.1. Vordarwinistische Ansätze und Theorien
2.2. Charles Robert Darwin
2.2.1. Der Weg zur Theorie
2.2.2. Die Theorie über die Entstehung der Arten

3. Evolutionsstrategie
3.1. Technische Adaption der Evolutionstheorie
3.2. Evolutionsstrategie nach Rechenberg

4. Fazit und kritische Würdigung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Die Weltumseglung der HMS Beagle (1831-1836)

Abbildung 2: Vergleich der Evolutionstheorien von LAMARK und DARWIN

Abbildung 3: Saltationismus (oben) und Gradualismus(unten)

Abbildung 4: DARWINS Selektionstheorie

Abbildung 5: Iterationsschema bei Evolutionären Algorithmen

Abbildung 6: Lösungsgebirge (links) und Lösungsgebirge unter Unsicherheit (rechts)

Abbildung 7: Gradientenstrategie (links) und Evolutionsstrategie (rechts)

Anhangsverzeichnis

Anhang 1: Arten der Evolutionsstrategie

1. Einleitung

In Zeiten stark sinkender Produktlebenszykluszeiten wird es immer entscheidender sich mittels optimierter Produkte am Markt zu behaupten. Dabei stellt die Bionik mittlerweile eine etablierte Innovationsmethode dar, die gerade in Deutschland eine Vielzahl an Produktoptimierungen und Neuentwicklungen hervorgebracht hat. Einen Mehrwert bietet die Bionik, zusätzlich zu den entwickelten Produkten und Technologien, durch eine erhöhte Umweltverträglichkeit, das Sichern von Wettbewerbsvorteilen sowie die Schaffung von Arbeitsplätzen.¹ Die in den 1960er Jahren entwickelte Evolutionsstrategie stellt dabei eine Möglichkeit dar, um seine bisherigen Produkte zu optimieren oder auch neue Produkte zu entwickeln.

Dieses Assignment soll einen Einblick in die Evolutionsstrategie ermöglichen. Dazu soll zu- nächst auf die Evolutionstheorie von Charles Robert DARWIN eingegangen werden. Da dieser aufgrund seiner Evolutionstheorie zu den bedeutendsten Naturwissenschaftlern zählt, werden - um die Tragweite seiner Theorie in den passenden Kontext setzen zu können - zunächst im zweiten Kapitel vordarwinistische Ansätze und Theorien betrachtet. Anschließend wird auf das Leben sowie die Forschung DARWINS eingegangen, welche die Grundlage seiner Theorie darstellt. Anschließend wird auf die eigentliche Theorie eingegangen, welche in fünf Teiltheorien aufgeteilt wird, um sämtliche Teilaspekte genau aufzuzeigen.

Im dritten Kapitel wird die technische Adaption von DARWINS Evolutionstheorie präsentiert. Hierbei wird nicht nur die Evolutionsstrategie, sondern generell die Evolutionären Algorithmen mit der zuvor ausgearbeiteten Evolutionsstrategie von DARWIN verglichen. Anschließend wird speziell auf die Evolutionsstrategie nach RECHENBERG eingegangen. Dabei wird eine einfache Form der Evolutionsstrategie beispielhaft aufgezeigt und mit dem konventionellen Verfahren der technischen Entwicklung verglichen. Zudem werden die Nachteile der Evolutionsstrategie sowie praktische Anwendungsbeispiele aufgezeigt.

Abschließend wird im letzten Kapitel ein Fazit gezogen sowie eine kritische Würdigung vor- genommen. Diese Arbeit hat dabei nicht den Anspruch die angesprochenen Thematiken voll- ständig abzubilden, sondern soll lediglich eine Einführung in die Thematik gewährleisten.

2. Evolutionstheorie

2.1. Vordarwinistische Ansätze und Theorien

Bereits der antike griechische Philosoph ANAXIMANDER (610-550 v. Chr.) glaubte bereits an eine Evolution der Natur. Er nahm an, dass die Menschen ursprünglich Fischen ähnlich waren, bevor sie als Männer und Frauen geboren wurden.² Allerdings vertraten gerade die Philosophen, wel- che den nachhaltigsten Einfluss auf die westliche Kultur hatten - nämlich PLATON (427-348 v. Chr.) und ARISTOTELES (384-322 v. Chr.) - andere Ansätze. PLATON glaubte an die Existenz zweier Welten, der Ideenwelt und der Sinneswelt. Die Ideenwelt ist unsichtbar, unwandelbar und be- inhaltet die einzig wahre objektive Realität. Die Sinneswelt stellt hingegen die wahrgenommene Welt dar, welche durch die täuschenden menschlichen Sinne lediglich Abbildungen der objekti- ven Realität sein können.³ Laut dieser Ideenlehre stellen die Arten bereits perfekte Formen dar, welche wir lediglich durch unsere Sinne als unvollkommen wahrnehmen. Eine Evolution wäre nach dieser Theorie nur nachteilig.⁴ ARISTOTELES, der Schüler von PLATON, stellte diese Theorie infrage.⁵ Er glaubte, dass sämtliche Lebewesen von einfachen bis zu komplexen Formen reich- ten und man sie daher auf einer Skala nach ihrer Komplexität ordnen könne. Bei diesem Ansatz hatte jede Art ihren festen Platz und evolvierte nicht.⁶ Diese Theorie wurde später von den Rö- mern als scala naturae - Stufenleiter der Natur - bezeichnet. Diese Sicht herrschte für über 2.000 Jahre vor und fand in der Schöpfungsgeschichte der jüdisch-christlichen Kultur Unterstüt- zung.

Georges CUVIER (1769-1832) der wissenschaftliche Begründer der Paläontologie erkannte zu Beginn des 19. Jahrhunderts in Fossilien eine Aufzeichnung des Lebens. Er stellte fest, dass Fos- silien umso weniger der heutigen Flora und Fauna gleichen, je älter sie sind.⁷ Ebenso erkannte er, dass das Aussterben von Arten in der Geschichte ein regelmäßiges Ereignis war. Allerdings war er ein Gegner der gerade aufkommenden Evolutionsforschung, weswegen er in einer eige- nen Theorie seine Feststellungen mit der scala naturae in Einklang brachte. Seiner Ansicht nach sind in der Erdgeschichte wiederholt große lokale Katastrophen eingetreten, welche den Groß- teil der dortigen Lebewesen vernichteten. Aus den verbliebenen Arten ist in den darauf folgen- den Phasen dann neues Leben entstanden. Diese Theorie ist heute als Katastrophentheorie be- kannt.

1809 veröffentlichte Jean-Baptiste de LAMARCK (1744-1829) als erster Wissenschaftler über- haupt, mit seinem Werk Philosophie zoologique eine ausformulierte Evolutionstheorie. Er stütz- te diese auf Fossilienevidenzen wie beispielsweise Ähnlichkeitsreihen von fossilierten Mu- scheln, die in den gegenwärtigen Muscheln enden. LAMARCK lehrte, dass die Transformation der Lebewesen von zwei Kriterien abhängig sei. Zum einen besitzt die Natur einen intrinsischen Verbesserungsdrang, und zum anderen besitzen die Organismen einen ökologischen Anpas- sungsdrang, welcher von der Umgebung des jeweiligen Organismus abhängig ist.⁸ Er nahm an, dass Anpassungen im Laufe einer Generation erworben und an die nächste weitergegeben werden können. Ein Beispiel ist die Giraffe, welche sich von den Blättern der Bäume ernährt. Um an die Nahrung zu gelangen, muss sie ihren Hals in die Höhe strecken, wodurch er länger wird. Diese Beanspruchung erzeugt eine Transformation, welche der nächsten Generation län- gere Hälse vererbt, um leichter an ihre Nahrung zu gelangen. Dieses Verhalten wird auch als Lamarckismus bezeichnet. „Lamarcks Theorie von der Vererbung erworbener Eigenschaften wurde verworfen, als Wissenschaftler erkannten, dass Körperzellen keine Merkmale weiterge- ben können.“⁹

2.2. Charles Robert Darwin

2.2.1. Der Weg zur Theorie

Charles Robert DARWIN (1809-1882) wurde in dem Jahr geboren als LAMARCK seine Evolutions- theorie veröffentlichte. „Sein Vater, Robert Waring Darwin, war ein wohlhabender Arzt, sein Großvater, der bedeutende Naturforscher Erasmus Darwin, hatte sich in seiner Schrift Zoonomia (1794-96) zu evolutionistischen Gedanken bekannt.“¹⁰ Der junge Charles sollte dem Vorbild sei- nes Vaters folgen und begann im Jahr 1825 - im Alter von gerade einmal 16 Jahren - mit dem Medizinstudium an der Universität Edinburgh. Mit Ausnahme der Chemie langweilten ihn dort allerdings sämtliche Vorlesungen,¹¹ weswegen er Edinburgh ohne Abschluss verließ. Sein Vater riet ihm anschließend zu einem Theologiestudium in Cambridge, welches er 1828 begann und 1831 erfolgreich beendete. Zu der damaligen Zeit waren fast alle Naturwissenschaften eng mit der Welt der Theologie verflochten, weswegen er sich während seines Studiums ausführlich mit verschiedenen Naturerscheinungen, Pflanzen und Tieren beschäftigte.¹² John Stevens HENSLOW (1796-1861), sein Professor für Botanik in Cambridge und Mentor, riet ihm zu einer Forschungsreise unter dem Kommando von Kapitän Robert FITZROY (1805-1865). Die Besatzung des Schiffs sollte - um die Seekarten der englischen Admiralität zu aktualisieren - die Küsten von Südamerika vermessen.¹³ DARWIN war begeistert von dieser Idee und trat 1831 in Plymouth die fünfjährige Weltreise an Bord der HMS Beagle (siehe Abb. 1) an. Bemerkenswert war, dass DARWIN vor seiner Reise noch fest an die Konstanz der Arten glaubte.¹⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Die Weltumseglung der HMS Beagle (1831-1836)¹⁵

Auf seiner Reise beobachtete DARWIN die Anpassungen von Lebewesen in unterschiedlichen Le- bensräumen, wie dem brasilianischen Dschungel, den Grasländern der argentinischen Pampas, auf Feuerland und in den Hochlagen der Anden. Er stellte fest, dass die Flora und Fauna der gemäßigten Regionen Südamerikas eher den südamerikanischen Tropen ähnelte als den euro- päischen mit identischen klimatischen Bedingungen. Zudem entdeckte er Fossilien, welche sich zwar deutlich von modernen Lebewesen unterschieden, aber den heutigen südamerikanischen Lebensformen ähnelten.¹⁶ Großen Einfluss auf den jungen DARWIN hatte der derzeit führende Geologe Charles LYELL (1797-1875), dessen Buch Principles of Geology er auf seiner Reise las. Seine Beobachtungen stimmten mit LYELLS Theorie überein, dass die Erde - entgegen der vorherrschenden kirchlichen Ansicht - wesentlich älter sei als einige Tausend Jahre.

Ein Schlüsselmoment der Reise war der Besuch auf den Galapagosinseln. Hier entdeckte DARWIN u. a. verschiedene finkenähnliche Vogelarten, von denen er annahm, dass sie trotz gro- ßer Ähnlichkeit unterschiedlichen Arten angehörten. Obwohl diese Vogelarten jenen auf dem südamerikanischen Festland ähnelten, kamen die meisten Arten jedoch nur hier und nirgendwo sonst vor. Daher nahm DARWIN an, dass eine Vogelart des Festlands die Galapagosinseln koloni- siert haben muss. Diese entwickelte sich dann in mehrere verschiedene Arten weiter und ver- teilten sich auf den Inseln.¹⁷

Die verbreitete Behauptung, dass DARWINS Vorstellung von der Existenz der Evolution während des kurzen Aufenthaltes auf den Galapagosinseln vom September bis zum Oktober 1835 entstand, ist allerdings falsch. DARWIN schenkte dieser Beobachtung tatsächlich zunächst nur wenig Beachtung. Erst Monate später erwähnte er in seinem Tagebuch, dass es lohnenswert sei, die Organismen genauer zu untersuchen.¹⁸

Das Ergebnis seiner Reise waren zoologische- (368 Seiten) und geologische Notizen (1.383 Seiten) sowie 1.529 in Spiritus konservierte Arten, 3.907 Häute, Felle, Knochen, Pflanzen etc.¹⁹ dies stellte die Grundlage seiner heimischen Forschungen dar. In England festigte DARWIN - all- mählich und unter stetiger kritischer Überprüfung der Tatsachen - seine Theorie. Er orientierte sich dabei u. a. an William PALEY²⁰ (1743-1805), Tierzüchtern und vor allem an Thomas Robert MALTHUS (1766-1834). Dieser inspirierte DARWIN mit seinem Essay on the Principle of Populati- on.²¹ Dort fand er das Konzept zum Kampf ums Dasein und somit auch das Selektionsprinzip. Er übernahm MALTHUS Gedanken, dass jede Art eine starke Tendenz zur Vermehrung besitzt, wel- che größer ist als die mögliche Vermehrung der Nahrungsmittel. Zusammen mit der Beobach- tung, dass sich die Anzahl der Individuen einer Art auf lange Sicht meist nur wenig verändert, lässt sich aus diesen Beobachtungen schließen, dass es zwischen Mitgliedern derselben Art zwangsläufig zu einem Kampf ums Dasein²² kommt.²³ Die umfangreiche Empirie sowie die Angst vor der Brisanz - welche sein Werk zu der damaligen Zeit beinhaltete - führte dazu, dass DARWIN seine Theorie erst 23 Jahre nach seiner Weltreise mit der HMS Beagle veröffentlichte.

2.2.2. Die Theorie über die Entstehung der Arten

DARWIN stellte seine Evolutionstheorie im Jahr 1859 in dem Buch On the Origin of Species by Means of Natural Selection or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life²⁴ vor. Dieses Werk war lediglich eine Kurzfassung seines Big Species Book. Dennoch gilt es auch heute noch als Meilenstein der Biologie und beinhaltet die folgenden fünf Teiltheorien:²⁵

(1) Evolution: Die Theorie der Evolution der Arten besagt, dass Arten zeitlich veränderlich sind. Ähnlicher Ansicht war vor DARWIN auch schon LAMARCK. Die Entwicklung erfolgte jedoch nicht in Form gerader Linien, sondern in Form von sich verzweigenden Ästen (siehe Abb. 2).²⁶ DARWIN hatte genügend Daten gesammelt, um den Großteil seiner Fachkollegen direkt von dieser Theorie zu überzeugen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Vergleich der Evolutionstheorien von LAMARK und DARWIN²⁷

(2) Abstammungslehre: Nach der Theorie der gemeinsamen Abstammung sind die Arten nicht nur zeitlich veränderlich, sondern besitzen einen gemeinsamen Ursprung. Alle Arten sind also durch Divergenz aus einem gemeinsamen Vorfahren entstanden (auch dies wird in Abb. 2 deutlich).

[...]

¹ Vgl. BIOKON - FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT BIONIK-KOMPETENZNETZ E.V. (2016).

² Vgl. RIES (2005), S. 24.

³ Vgl. STORCH et al. (2013), S. 4./ RIES (2005), S. 67f./ RIEDL (2003), S. 13f.

⁴ Vgl. HÄBERLE/ WEHNER (2005), S. 2.

⁵ Vgl. SCHURZ (2011), S. 7.

⁶ Vgl. REECE et al. (2016), S. 601f./ STORCH et al. (2013), S. 5./ RIEDL (2003), S. 14f.

⁷ Vgl. JUNKER (2004), S. 100.

⁸ Vgl. SCHURZ (2011), S. 22f.

⁹ Vgl. CHAMARY (2016), S. 4.

¹⁰ HOßFELD/ OLSSON (2014), S. 100.

¹¹ Vgl. WUKETITS (2005), S. 17.

¹² Vgl. WUKETITS (2005), S. 18f.

¹³ Vgl. HOßFELD/ OLSSON (2014), S. 101.

¹⁴ Vgl. STOBER (2016).

¹⁵ REECE et al. (2016), S. 604.

¹⁶ Vgl. REECE et al. (2016), S. 604ff.

¹⁷ Vgl. REECE et al. (2016), S. 604ff.

¹⁸ STORCH et al. (2013), S. 24f.

¹⁹ Vgl. DESMOND/ MOORE (1994), S. 214ff.

²⁰ PALEY war ein Verfechter der natürlichen Theologie, DARWIN studierte seine Bücher u. a. während seines Theologiestudiums in Cambridge.

²¹ Der deutsche Titel lautet Das Bevölkerungsgesetz.

²² Englisch: Survival of the Fittest.

²³ Vgl. HOßFELD/ OLSSON (2014), S. 102.

²⁴ In Deutschland wurde das Buch unter dem Titel Über die Entstehung der Arten im Thier- und Pflanzen-Reich durch natürliche Züchtung, oder Erhaltung der vervollkommneten Rassen im Kampfe um’s Daseyn veröffentlicht.

²⁵ Wir folgen hier der Einteilung von: HOßFELD / OLSSON (2014), S. 91f./ STORCH et al. (2013), S. 29./ ZRZAVÝ et al. (2013), S. 11./ MAYR (2005), S. 113ff./ MAYR (2003)/ MAYR (1997), S. 233ff./ MAYR (1994)/ MAYR (1991), S. 35ff.

²⁶ Vgl. STORCH et al. (2013), S. 29./ ZRZAVÝ et al. (2013), S. 11.

²⁷ SCHURZ (2011), S. 26.