التطور يعمل - أيضًا على الكمبيوتر

فازت خوارزمية شطرنج طورها البروفيسور موشيه زيبر وطالب الدكتوراه عامي هابتمان من قسم علوم الكمبيوتر في جامعة بن غوريون، ليس عن طريق البرمجة العادية ولكن بطريقة تحاكي التطور، بالمركز الثاني وجائزة قدرها 3,000 دولار في مؤتمر علمي للبرمجيات التطورية المنعقدة في لندن

آفي بيليزوفسكي
منذ حوالي أسبوعين انعقد في لندن مؤتمر علمي شارك فيه باحثون في علوم الكمبيوتر من جميع أنحاء العالم المنخرطون في المجال المعروف باسم "الحوسبة التطورية". وفي إطار هذا المؤتمر، تقام مسابقة جوائز HUMIES، والتي تصنف أفضل البرمجيات التي تم تطويرها باستخدام طريقة تحاكي التطور في الطبيعة، وذلك بمعيار واحد فقط - هل تتفوق باستمرار على البشر في المجال الذي تتخصص فيه، في المركز الثاني و بجائزة نقدية قدرها 3,000 دولار، عمل البروفيسور موشيه زيبر وطالب الدكتوراه عامي هابتمان من قسم علوم الحاسوب في جامعة بن غوريون في النقب والذي حمل عنوان: "تطوير نظام بحث لمشكلة كش ملك في نقب" التحركات في الشطرنج."

وفي حديث مع البروفيسور موشيه زيبر يوضح أن مجال الخوارزميات التطورية الذي يتناوله المؤتمر كل عام، ولد مثل العديد من المجالات في علوم الكمبيوتر في الخمسينيات والستينيات، ولكن حتى في الثمانينيات كان مجالا تحت الأرض . "اليوم هو مجال مزدهر، وهذه المؤتمرات تنمو عاماً بعد عام - شارك هذا العام 650 باحثاً، وهو عدد يعتبر عدداً كبيراً من المشاركين في المؤتمرات التي تتناول علوم الكمبيوتر، ومنذ عام 2004 بدأ منظمو المؤتمر مسابقة مصممة لتشجيع تطوير الخوارزميات التطورية. "

ما هي الخوارزمية التطورية؟البروفيسور زيبر: "إن مجال الخوارزميات التطورية يستمد إلهامه من التطور في الطبيعة. صحيح أن مجالات علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر تتقارب، لكن هذا يحدث في اتجاه استخدام قواعد البيانات لتحليل الجينوم البشري، وهو المجال المعروف باسم المعلوماتية الحيوية. نحن نعمل في الاتجاه المعاكس، ونطبق المبدأ البيولوجي على علوم الكمبيوتر. هناك مجالات أخرى في علوم الكمبيوتر تستمد أفكارها من الطبيعة، على سبيل المثال الشبكات العصبية، لكننا نعمل على مبدأ أكثر أساسية: التطور في الطبيعة وجد حلولاً وأشياء معقدة لا أستطيع، كعالم كمبيوتر، أن أخطط لها، الدماغ أو شبكة عصبية أو قلب أو عضلة. في الطبيعة لا يتعلق الأمر بالتخطيط، لأن التطور عملية غير مقصودة. وبتبسيط عملية التطور، فإن داروين عندما كتب كتابه عن أصل الأنواع عام 1859، لم يكن يعرف كيف تنتقل الوراثة من جيل إلى جيل، لكنه رأى نتيجة هذه العمليات وتعامل معها على أنها أمر مسلم به. (في وقت لاحق، اتضح أن كل هذه الظواهر - علم الوراثة لمندل، وتفاصيل الحمض النووي لواتسون وكريك، وتحليل الجينوم البشري أثبتت فقط صحة نظرية التطور وفي الواقع حدس إيه بي داروين)

كيف تعمل البرمجيات التطورية؟
لكي يتمكن النظام التطوري من تطوير وإنتاج أفراد ناجحين، نحتاج إلى أربعة مكونات أساسية تشكل العمود الفقري للنظام:
• عدد السكان من الأفراد
• القدرة على التكاثر، والتي تنطوي على الوراثة (تتكاثر الكائنات عن طريق التكاثر اللاجنسي أو الجنسي وتترك بعض الصفات لنسلها).
• الموارد المحدودة
• مسابقة.
يحدث التطور، من بين أمور أخرى، بسبب عدم وجود مساحة كافية للجميع وجميع الكائنات من نفس النوع تتنافس على الموارد المحدودة: الغذاء، والأرض، والهواء، والأصحاب... وشيئًا فشيئًا، أولئك الذين هم أكثر المناسبون هم الذين سيبقون على قيد الحياة، وسينتجون المزيد من النسل. يصبح الأفراد أكثر تكيفًا مع بيئتهم بسبب التغيرات الجينية. كشخص متخصص في علوم الكمبيوتر، أفهم أن هناك عملية مثيرة للاهتمام حيث يمكنني، على مستواها المجرد، أخذ الشروط الأربعة وتطبيقها على الكمبيوتر وتشغيلها كخوارزمية. وبدلاً من الكائنات الحية ستكون منتجاتها برامج أكثر تكيفاً للقيام بما هو مكلف بها.

لماذا فعلا تفعل هذا؟
لماذا يجب أن أقوم بمثل هذه العملية على جهاز الكمبيوتر؟ لأن العملية التطورية في الطبيعة تعرف كيف تنتج هياكل مناسبة لبيئتها. إذا قمنا بتنفيذ العملية على الكمبيوتر، فسنحصل على أداة تخطيط جديدة ومثيرة للاهتمام. لقد تم بالفعل كتابة آلاف الأعمال في هذا المجال، وكلها دليل على أننا إذا طبقنا الشروط الأربعة سنصل إلى بنيات برمجية مثيرة للاهتمام، في تطور ينتج حلولاً لطيفة للمشكلات الصعبة من الأسلوب، على سبيل المثال، التخطيط لنظام زمني مع قيود – لا يمكن أن تكون هناك غرفة يشغلها محاضران، ولا يمكن أن يتواجد فيها محاضر بشكل مؤقت في مكانين. هذا نظام معقد جدًا لحله باستخدام طرق البرمجة العادية.

كيف قمت بتطوير نظام يحل مشكلة الشطرنج، ولماذا الشطرنج؟
في السنوات الأخيرة، كنت ألعب الألعاب كثيرًا لأنه على الرغم من أن الألعاب يُنظر إليها على أنها شيء خفيف، إلا أنها مجال جدي يتضمن الذكاء الاصطناعي. تتمتع الألعاب بالعديد من الجوانب والقدرات التي يستخدمها البشر والتي إذا نجحنا في نقلها إلى أجهزة الكمبيوتر، فسوف تتدفق إلى مجالات أخرى من التطبيقات والدراسات الأكثر "جدية" والتي تهم الباحثين والصناعة على حد سواء. هناك أنواع عديدة من الألعاب - الألعاب التفاعلية، وألعاب الطاولة، والشخصيات، والألغاز. الأقدم هي ألعاب الطاولة مثل لعبة الداما والشطرنج والشطرنج الصيني وGo وطاولة الزهر والمزيد. يأتي هاوبتمان من خلفية في علم النفس، ونحن نعرف الكثير عن الطريقة التي يلعب بها لاعبو الشطرنج رفيعو المستوى. منذ أن هزم ديب بلو - وهو حاسوب عملاق من شركة IBM مصمم على مستوى الأجهزة والبرمجيات للعبة الشطرنج - غاري كاسباروف قبل 10 سنوات، تطورت برمجيات الشطرنج واليوم هناك برمجيات قادرة على هزيمة العديد من الفنانين، عند تثبيتها على جهاز كمبيوتر محمول.
تستخدم هذه البرامج شجرة اللعبة. يقول الكمبيوتر أن هذه هي حالة اللوحة في الوقت الحالي وما يمكن للخصم فعله. خلال الأول هناك 40 خيارًا وخلال الثاني يوجد بالفعل 1,600 خيار. إذا مررت بجميع الخيارات، فإن الشجرة تنمو بسرعة وتنفجر.. يستبعد اللاعب من لحم ودم معظم هذه الخيارات مقدمًا. إحدى وظائف أي برنامج شطرنج جيد هي آلية تقليل هذه الاحتمالات. على سبيل المثال، تجاهل الخيارات التي تؤدي إلى خسارة معينة. كلما كان برنامج الشطرنج أفضل، كلما زاد معرفته بكيفية القطع.

"لم نتمكن بالطبع من تخصيص الموارد لإكمال برامج الكمبيوتر، لذلك اخترنا خوارزمية واحدة - خوارزمية تتحقق مما إذا كنا سنصل إلى كش ملك خلال عدد معين من الحركات، وهي خوارزمية يفشل فيها أي برنامج شطرنج لا يحتوي على مثل هذه الوحدة القوية. لقد طبقنا الشروط الأربعة للتطور الطبيعي على هذه الخوارزمية. لقد بدأنا في الجيل الصفري من مجموعة أولية مكونة من ألف برنامج شطرنج كانت فظيعة وستخسر أمام صبي يبلغ من العمر 4 سنوات، ولكن لا يزال هناك فرق بينهما - كان هناك عدد قليل منها أقل سوءًا قليلاً. تتم كتابة البرامج بحيث يمكن خلط التعليمات البرمجية الخاصة بها والحصول على برامج جديدة - أفضل أو أسوأ. وفي كل جيل اخترنا أفضل البرامج ولم نسمح لهم إلا بإنجاب ذرية. بالإضافة إلى الخلط الجيني للبرنامج في عملية الانتقال من جيل إلى جيل، فقد سمحنا أيضًا بحدوث طفرات عشوائية. أما الشرط التالي ـ المنافسة والموارد المحدودة ـ فقد تحقق من خلال تحديد عدد البرامج في كل جيل بألف برنامج.
الشرط الأخير هو وجود المنافسة. لكي نقرر فعليًا ما هو البرنامج الجيد - البرنامج المناسب لبيئته، نسمح لهم بالتنافس مع برنامج شطرنج على مستوى الأستاذ الكبير، المعروف باسم CRAFTY. يعد هذا البرنامج أحد أفضل سبعة برامج شطرنج في العالم وميزته بالنسبة لنا أنه مكتوب بمصدر مفتوح ويمكن استكشاف كوده. "
تعليق آخر أضافه البروفيسور زيبر هو أنه لم تكن هناك دورات ألعاب بين آلاف البرامج والبرامج الخارجية التي كتبها البشر، لم يكن الأمر عمليًا ببساطة، وبدلاً من ذلك، طور الاثنان وظيفة تصنيف تقارن البرامج بنفسها و بينهم وبين CRAFTY.
وفقًا لزيبر، فقد أسفرت نتيجة التطور التطوري عن خوارزميات تعرف كيفية التنبؤ بالنتائج بكفاءة وسرعة ودقة أفضل من Crafty. منذ أن كتب Crafty من قبل البشر، فقد استوفى النظام هذا التعريف

اتضح أننا أفضل. يعرف البرنامج المطور تطوريًا كيفية التنبؤ بالبساط بشكل أسرع وأكثر دقة من برنامج Crafty، الذي تمت برمجته وكتابته بواسطة الإنسان، وقد استوفى معايير التنافسية البشرية.

وكانت شروط المسابقة أن يكون البحث المعني منشورا في الأدبيات العلمية التي تتضمن مراجعة النظراء، وقد تم نشره بالفعل في مؤتمر عقد قبل بضعة أشهر، عندما قامت لجنة من الحكام باختيار الأوراق التي وصلت إلى النهائيات ، وكان مطلوبا من مؤلفيهم الدفاع عنهم. كان الحكام هم من قاموا بتصنيف الأعمال المختلفة وكان العمل الذي فاز بالمركز الأول يدور حول التطور التطوري لزراعة القوقعة الصناعية ووفقًا لزيبر، كانت المنافسة بين العملين متقاربة. وتناولت أعمال أخرى تطوير خوارزميات تشخيص السرطان والعديد من التطبيقات الأخرى.

وماذا بعد؟
كان زيبر، الذي كان يبحث في مجال الخوارزميات التطورية لأكثر من عقد من الزمان، منخرطًا بشكل رئيسي في مجالات الألعاب مثل البوكر ولعبة الطاولة والألعاب الحربية باستخدام الدبابات وغيرها. لكنه يسعى الآن إلى سداد دينه لعلم الأحياء الذي قدم المبدأ التطوري، ومعه لحل المشكلات في المعلوماتية الحيوية، مثل التنبؤ بالعناصر المتكررة في الحمض النووي الريبي (RNA). وذلك من خلال زميله في القسم الدكتور داني باراش المتخصص في المعلوماتية الحيوية.
"لقد طورنا خوارزمية بالطريقة التطورية تسعى إلى اكتشاف ما هو مشترك بين الإنسان والفئران، وهذا مجال مهم لأن العديد من التجارب على الأدوية الجديدة يتم إجراؤها لأول مرة على الفئران. قمنا بتطوير خوارزمية وأرسلنا مقالًا يصفها إلى إحدى المجلات الرائدة في هذا المجال. لقد بدأنا من علم الأحياء، وقمنا بتنفيذ الخوارزميات على الكمبيوتر وعدنا إلى علم الأحياء.

للمقالة العلمية على موقع جامعة بن غوريون

إلى موقع المسابقة