تسجيل الدخول

تسجيل

الروبوتات التطورية

المؤلف:  آلان وينفيلد

المصدر:  علم الروبوتات

الجزء والصفحة:  ص100

2026-01-18

373

تُعد الروبوتات التطورية واحدة من أروع التطورات في أبحاث الروبوتات في العشرين عاما الماضية. ذلك أنها طريقة جديدة تمامًا لتصميم الروبوتات. تتمثل هذه الطريقة في استخدام عملية آلية تعتمد على الانتخاب الاصطناعي الدارويني لتصميم روبوتات جديدة. وبطبيعة الحال، فإن الاستيلاد الانتقائي، كما يُمارس في الزراعة على يد البشر لإنتاج أنواع محسنة جديدة من المحاصيل أو حيوانات المزرعة أمر مستحيل بالنسبة للروبوتات الحقيقية، في الوقت الحالي على الأقل. وبدلا من ذلك، تستخدم الروبوتات التطورية نسخة مجردة من الانتخاب الاصطناعي حيث تحدث معظم العملية داخل كمبيوتر. ويُطلق على هذه العملية المجردة اسم الخوارزمية الجينية.

تعمل عملية الروبوتات التطورية على النحو الآتي. في البداية، تمثل الروبوت الذي نريد تطويره بجينوم اصطناعي. وعلى غرار الحمض النووي، يحتوي الجينوم الاصطناعي على سلسلة من الرموز، لكنه يختلف عن الحمض النووي في أنَّ كل رمز منه يُمثل (أو «يُشفّر») جزءًا من الروبوت مباشرةً. ففي الروبوتات التطورية نادرًا ما نطور كل جزء من أجزاء الروبوت. لنتخيل كيف يمكننا بناء جينوم لروبوت يمشي على أربع أرجل. تنقسم كل رجل إلى جزأين، ويُحدِّد الجينوم طول كل جزء. ونظرًا لوجود أربع أرجل، يحتوي الجينوم إجمالا على ثماني قيم. يُوضّح المربع الموجود على اليسار في الشكل 1 الجينوم الذي يُحدد مواصفات أرجل روبوت سائر.

شكل :1 عملية الروبوتات التطورية ذات المراحل الأربعة.
توجد بالطبع العديد من الأبعاد الأخرى للروبوت التي يمكننا أيضًا تشفيرها في الجينوم الاصطناعي. يمكننا على سبيل المثال، أن نشفر في الجينوم حجم جذع الروبوت، أو مواضع المفاصل بين الجذع والأرجل، أو عدد الأجزاء في كل رجل، وما إلى ذلك. ومن الناحية النظرية، يمكننا تشفير كل مكونات الروبوت في الجينوم، لكن هذا سيؤدي إلى إبطاء عملية التطور الاصطناعي، وسيقلل أيضًا من احتمالية تطويرنا لروبوت «جيد». ولهذا، ما نفعله عمليًّا أننا نصمم بعض مكونات الروبوت ونُصلحها يدويا، وتحدد الأجزاء التي نريد تطويرها؛ ومن ثَم تُشفّر تلك الأجزاء فحسب في الجينوم الاصطناعي. بعد تحديد بنية الجينوم الاصطناعي، ننشئ في برنامج كمبيوتر مجموعة من الجينومات ليس من الضروري أن يكون عدد الجينومات كبيرا؛ فيكفي أن يتراوح العدد من عشرة إلى مائة للحفاظ على درجة من التنوع الجيني. وبصورة عامة، تهيأ الجينومات في المجموعة الأولية عشوائيا وبالنسبة إلى الروبوت الخيالي السائر على أربع أرجل، فإن هذا يعني أن المجموعة الأولية ستتألف من روبوتات بأحجام أرجل غير متطابقة، وكثير منها لن ينجح في السير. يُوضح الشكل 5-2 عملية التطور الاصطناعي الشاملة المكونة من أربع مراحل. وفي كل مجموعة يخضع كل نموذج روبوت ممثلا بالجينوم الخاص به. التقييم لياقة منفصل. ويظهر هذا في الشكل 1 تحت مسمى (1)« تقييم اللياقة»، وهذا يعني أن كل جينوم يُستخدم لتصميم روبوت. غير أنه سيكون من غير العملي إلى حد كبير تصميم روبوت مادي حقيقي لكل جينوم؛ ولهذا نصمم محاكاة للروبوت في جهاز كمبيوتر. بعد ذلك، تخضع محاكاة الروبوت للاختبار. بمعنى آخر، يُقاس أداؤه وفقًا لبعض معايير اللياقة. وبالنسبة إلى الروبوت السائر على أربع أرجل، يُعتبر الروبوت ناجحًا إذا تمكن من السير في خط مستقيم، وكلما استقام الخط وزادت سرعة المشي، زادت نسبة نجاح الروبوت (أي «لياقته»). وبعد اختبارات اللياقة يحصل كل نموذج في المجموعة على قيمة للياقة في الشكل 25 تظهر هذه القيم في شكل 0.8 = f، وما سواها. والقيمة الأعلى تعني مستوى أعلى من اللياقة.
تُستخدم قيم اللياقة بعد ذلك لاختيار النماذج التي سيُعاد إنتاجها، كما هو موضح في المرحلة (2) الاختيار» في الشكل 5-2. في هذا المثال، يجري اختيار النموذجين اللذين يتمتعان بقيم اللياقة 0.8 = f و 0.7 = f. لم يقع الاختيار على النموذج ذي القيمة المنخفضة 0.5 = f. توجد العديد من استراتيجيات الاختيار التي يمكننا استخدامها على سبيل المثال، قد نختار نصف نماذج المجموعة التي تتمتع بنسب لياقة مرتفعة. وسوف ينتج هذا النصف بعد ذلك المجموعة التالية حينئذ ينشأ الجيل التالي، كما هو موضح في المرحلة (3) «العبور والتحور» في الشكل 1 ومرة أخرى، ثَمة طرق كثيرة يمكننا القيام بذلك من خلالها (تذكر أن هذه محض أرقام في الكمبيوتر)؛ من هذه الطرق التكاثر اللاجنسي، حيث يمكننا إنتاج نسختين لكل نموذج ناجح كل نسخة متحورة قليلًا. والتحور هنا يعني ببساطة أن كل قيمة من القيم
الموجودة في الجينوم الاصطناعي (أو بعضها تُعدَّل بنسبة صغيرة تُختار عشوائيا. ثمة نهج آخر يتمثل في أخذ أزواج من النماذج اللائقة من المرحلة (2) والتبديل بين أجزاء من الجينوم الخاص بها لإنتاج سلالة جديدة، كما هو موضح في الشكل 5-2. يحتوي كل جينوم جديد على جزأين، جزء من جينوم كل «والد». وتُسمى عملية التبديل بالعبور، وهي تشبه عملية التكاثر الجنسي على نحو مجرد. وبصرف النظر عن الاستراتيجية المتبعة للاختيار والتكاثر والتحور، يُنشأ الجيل التالي (الذي يحافظ على نفس حجم المجموعة) وتحل هذه المجموعة الجديدة من الجينومات محل جينومات الجيل السابق في المرحلة (4) من الشكل 1.
تخضع النماذج («الأبناء») في هذه المجموعة الجديدة لاختبارات اللياقة، بالطريقة نفسها وباستخدام معايير اللياقة ذاتها. وتتكرر هذه العملية برمتها، ربما على مدى مئات الأجيال، حتى نُطوِّر روبوتا ينجح في تحقيق الأداء المطلوب. بمعنى آخر، نتوقف بعد المرحلة( 1 ). عندما ينتج جينوم ما روبوتا بلياقة تتجاوز قيمة f المختارة. وبعد ذلك، نصمم نسخةً حقيقية من الروبوت الفائز؛ وبهذا تكتمل العملية.