Evrim: NASA Mühendislerinden Başarılı Tasarımlar Yaratabilen Doğa Yasası

Her ne kadar ülkemizde "evrim" ve "evrimsel biyoloji" halen kahvehanelerden çürütülmekte olan bir konu olsa da, tüm Dünya'daki bilim camiasında canlılığın çeşitliliği ve türlerin kökeni ile ilgili kabul gören, istisnasız tek doğa yasasıdır. Evrim Teorisi de, bu yasanın nasıl çalıştığını açıklayan bilimsel bilgiler bütünüdür. Evrimsel biyoloji ise, biyolojik evrim yasasını çalışan sahanın genel ismidir.

Fakat evrimin yasa ve ilkelerinin etki ettiği ve kullanıldığı tek bilim dalı biyoloji değildir. Kimyadan fiziğe, fizyolojiden tıbba ve hatta ekonomiye, mimarlığa ve mühendisliğe kadar her türlü bilim dalında kullanılmaktadır. Çünkü evrim, en basit tanımıyla bir "uyarlama" veya "uygunlaştırma" (optimizasyon) yasasıdır. Biyolojik evrim söz konusu olduğunda, canlıların etraflarına uyumlu hale gelmesinden bahsederiz. Fakat başlı başına bir optimizasyon işi olan mühendislik düşünüldüğünde, evrimin ne kadar kıymetli bilgiler verebileceği ve ne kadar geniş kullanım alanı bulabileceği aşikardır. Ve gerçekten de, mühendislikte gördüğümüz tam olarak budur!

Mühendislik sistemlerinde detayları çok iyi bilinen ve işe yarar düzeye kadar geliştirilmiş sistemlerde, mühendislerin kendi tasarımları yeterince kullanışlıdır. Fakat bilimin en ön cephelerine baktığımızda veya yepyeni bir iş yapmak üzere (mesela hiç bilinmeyen bir gezegeni keşfetmek gibi), bilinmeyenlerle dolu alanlara girmeye başladığımızda, katı kurallara dayalı tasarımlarımız (buna kimi zaman mantıksal tasarım veya geleneksel mühendislik denir) işlevsiz hale gelmeye başlar. Çünkü doğada hiçbir şey son haliyle, olduğu gibi var olmamıştır. Bugünkü hallerine, ufak ve kademeli değişimlerden geçerek gelmişlerdir. Bu değişimler, fiziksel, kimyasal ve biyolojik yasalarla şekillendirilmiştir.

Eğer ki bu yasaların tasarımları uzun sürelerde nasıl şekillendirdiğini anlarsak, yani evrimin tam olarak nasıl işlediğini anlayabilirsek, bilmediğimiz alanlarda en uyumlu olan tasarımların yavaş ve kademeli bir süreçten geçerek ortaya çıkmasını sağlayan yazılımlar ve sistemler geliştirebiliriz! Bir diğer deyişle, evrimleşen makinalar ve tasarımlar üretebiliriz. Böylelikle bir mühendisin bilemeyeceği veya öngöremeyeceği koşullar, olası binlerce tasarım arasından en uyumlusunu seçen bir sistem tarafından kolaylıkla alt edilebilir.

Evrimsel Tasarım, Geleneksel Mühendislik Tasarımlarına Karşı!

Evrimsel tasarımların detaylarına burada girmeyeceğiz; ancak sadece 1 örnek vermek istiyoruz: 2004 senesinde düzenlenen bir uzay görevinde NASA, Space Technology 5 (SP5) isimli 3 adet uydu göndermiştir. Bu uydular 25 kilogramdan hafif ve 50 santimetreden ufaktır. Görevleri, Dünya'nın manyetosferinde gezerek, X-bandında taramalar yapmak ve yeryüzüne veri göndermektir (tıpkı bir cep telefonu gibi). Böylece Dünya'nın manyetik alanını daha iyi tanımamızı sağlayacaklardı. Bu görevi yapabilmek için, 2.5 santimetreden ufak olacak şekilde, özel bir anten tasarlanması gerekiyordu. Ancak bir sorun vardı: manyetik etkileşimler, insanların üstesinden gelebileceklerinden çok daha karmaşıktı ve bu nedenle tasarımın tam olarak nasıl yapılması gerektiğine dair hiçbir fikir yoktu. Bu nedenle NASA bir yarışma düzenledi ve birçok uzmandan yardım istedi. Yarışmayı kazanan ekip, uyduları kendileri tasarlamamıştı... Evrimsel biyolojinin temel ilkelerini uyarlayarak hazırladıkları bir yazılım, en uygun tasarımı onlara bulup vermişti!

Burada sürecin tüm detaylarına girmek oldukça zor; fakat kısaca, NASA'nın ekiplerden istediği belli başlı kriterler vardı: az önce değindiğimiz gibi boy ve ağırlık gibi fiziksel parametrelerin yanısıra, yapabilecekleri işlerin de bir listesi bulunuyordu. Yarışmayı kazanan ekip, evrimsel algoritma denen bu yazılım içerisine bu kriterleri girdiler ve programı çalıştırdılar. Program, çok basit bir noktadan başlayıp, "mutasyonlar" kullanarak sürekli yeni varyasyonlar (çeşitlilikler) üretiyordu. Sonrasında bunları simüle ediyor, en uyumlu ve isteğe uygun çalışanları seçiyor, diğer olası tasarımları eliyordu. Bu en iyileri birbiriyle "çiftleştirerek", benzer bir tasarım grubu üretiyor ve bunlara da mutasyonlar ve crossing-over gibi çeşitlilik unsurları katarak, sürekli bu işlemi tekrar ediyordu. Yazılım, uyduda kullanılacak devrenin tellerinin konumlanışı ve birbirlerine bağlantılarını bile hesaba katıyor ve kendisi geliştiriyordu.

Sonuç mu? Muhteşemdi. Yazılım sonunda en uygun tasarımı verdiğinde, bu tasarım NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nde üretilerek test edildi. Evrimin yarattığı tasarım, diğer ekiplerdeki mühendislerin kendi tasarımlarına göre hem daha geniş bir yönümlenim (oryantasyon) kapasitesine sahipti, hem bu farklı oryantasyonlarda daha yüksek sinyal güçlendirme becerisine sahipti, hem de daha düşük enerji sarfiyatına sahipti! Dahası, yazılımın bu tasarıma ulaşması 3 ay sürdü. Hatta aslında yazılımın milyonlarca olasılık arasından en iyi tasarıma ulaşması sadece 10 saat sürdü; ancak bu yazılımın inşa edilmesi geri kalan zamanı aldı. Öte yandan, insanlardan oluşan takımlar, kendi daha düşük kapasiteli tasarımlarını 5 ayda tamamlayabilmişlerdi! NASA'da görev alan Jason Lohn'un konuyla ilgili sözlerini şöyle toparlayabiliriz:

Elimizdeki yapay zeka yazılımı milyonlarca potansiyel anten tasarımı arasından, evrimsel süreci kullanarak en iyisini buldu. Bu süreci, Darwin'in 'en güçlü hayatta kalır' ilkesine benzetebiliriz. Burada kullandığımız, 'en iyi tasarımların hayatta kalması, diğerlerinin elenmesi' olarak özetlenebilir. Bilgisayar programına yalnızca performans kriterlerini söyledik. Sonrasında bilgisayar, evrimi simüle ederek en iyi sonuçları elinde tuttu, diğerlerini eledi. Nihayetinde, görevin ihtiyaçlarına tam olarak uyan bir tasarıma ulaştı. Artık bu yazılımı, uzay görevlerinde yön bulmamızı sağlayan jiroskoplar gibi mikroskobik makinalar üretmekte de kullanıyoruz. Bu yazılım, insanın hayal bile edemeyeceği tasarımları icat edebilir. Daha küçük, daha hafif, daha az enerji sarfeden, daha güçlü, daha dayanıklı tasarımlara ulaşmamızı sağlayabilir.

Evrimi Mühendislikte Ne Zaman Kullanmalı?

Elbette, şu anda evlerimizde olan çanak antenler gibi zaten çok iyi tanınan tasarımların evrimsel süreçlerle üretilmesinin bir anlamı yok. Çünkü çok daha basit bir temelde çalışıyorlar ve çalıştıkları koşullar değişken değil. Fakat daha önceden de belirttiğimiz gibi, bilinmeyen, değişken, yeni alanlarda çalışmalar yürüteceksek veya elimizdeki tasarımları nasıl daha ileriye götüreceğimizi bilemiyorsak, evrimsel prensipler bize doğru yolu gösterebilirler. Evrim, olası bütün tasarımların yer aldığı hayali bir evren içerisinde, en uyumlu tasarımları bulmaya yarayan bir süreç olduğu için, mühendislerin bu biyoloji yasasından öğrencekleri çok fazla şey var. Gerçekten de NASA, 2004'ten beridir "Zeki Sistemler Birimi" ve "İleri Kontrol ve Evrimleşebilir Sistemler (ACES) Birimi"nde evrimsel algoritmaları yaygın olarak kullanmakta ve sorunları çözmek için bir araç haline getirmektedir. Örneğin Mars'ı fethetmemizi sağlayan Curiosity (Merak) uzay aracında da, genetik ve evrimsel algoritmalar çalışmakta ve aracın karşılaştığı problemleri çözmesinde görev almaktadır.

Evrim bize sadece geçmişimizi değil, geleceğimizi de verebilecek doğa yasası. Bir an önce onu daha iyi tanıyıp, anlamaya başlamamız gerekiyor.

Görsel: Evrimsel algoritmalarla tasarlanan nanouyduların bir fotoğrafı.

Kaynak: Bio-Inspired Artificial Intelligence, Dario Floreano ve Claudio Mattiussi (2008), sf: 40-42