Вопрос на миллион – как связаны понятия: космический корабль, теория Дарвина, эволюция, компьютер, антенна?

23:23 26/10/2016
Комментарии 0 👁 1 457

Спутник Space Technology 5

Наверное, никак… Но, на самом деле, связаны они очень тесно.

Теория Дарвина говорит нам о том, что всё, что мы видим вокруг в животном мире – результат эволюции, естественного отбора, плохое или нежизнеспособное – отмирает, приспособившееся – выживает и передаёт свои “способности” потомству. Конечно, тут стоит сказать, что Дарвин не знал о существовании генетики и не догадывался (скорее всего) о способе передачи информации между поколениями у вида.




Теория Дарвина – это хороший пример эволюционных алгоритмов, о которых мы слышали как о генетических, генетический алгоритм представляет собой метод перебора (в общем случае), основанный на теории эволюции. С помощью этого метода простой перебор можно превратить в отбор удачных признаков, и, таким образом, ускорить процесс поиска решения.

Такие алгоритмы сейчас применяются повсеместно, запрограммированный алгоритм может вам из любого набора букв по заданной вами фразе найти эту фразу за некоторое количество поколений, поколения будут мутировать, приближаясь к идеалу, который вы задали… Этот способ будет намного быстрее обычного перебора, на каждом шаге будет вводиться мутация, которая ускорит процесс.

С помощью таких генетических алгоритмов можно решать и прикладные задачи, например, составление расписаний, оптимизации запросов к базам данных, составлять компоновки каких-либо систем и т.п.

Но, вернёмся к нашему вопросу, в частности, к антеннам, антенны бывают самых разных форматов, есть телескопические, есть параболические, спиральные, плоские, цилиндрические, каких только нет. На любой вкус, но, как оказалось, не для всех задач можно найти антенну, которая бы удовлетворяла требования заказчиков и проектировщиков систем. Различные формы антенн нужны для разных задач, если мы принимает сигнал со спутника – подойдёт обычная “тарелка”, если нам надо передавать сигнал из космоса, то, тарелка, вероятно, не подойдёт, пригодится цилиндрическая антенна, конусообразные также используются на различных космических аппаратах, в т.ч. использовались и на советских луноходах.

Как же подобрать правильную форму антенны для определённой задачи? И тут на помощь приходит теория Дарвина, эволюционные алгоритмы, построенные на основе естественного отбора сами выбирают форму и размеры антенн для любых задач, автоматически. Эта сложная процедура была использована в последние годы в разработке нескольких антенн для критически важных приложений, связанных со строгими, противоречивыми или необычными требованиями к конструкции.

Компьютерная программа, запущенная на суперкомпьютере, начинает с простой формы антенны, а затем добавляет или изменяет элементы полу-случайным образом, чтобы создать ряд новых кандидатов-форм антенны. Затем они анализируются, чтобы определить, насколько хорошо кандидаты соответствуют требованиям конструкции и для каждого вычисляется некоторая оценка. Затем, в каждом шаге, похожем на естественный отбор, часть кандидатов антенны с худшей оценкой отбрасываются (по закону джунглей), оставляя небольшую популяцию самых результативных конструкций.




Используя эти оставшиеся антенны, компьютер повторяет процедуру, производя популяцию еще более результативных конструкций. После ряда итераций (шагов), популяция антенн оценивается и выбирается самый высококлассный дизайн. В результате антенна часто превосходит лучшие конструкции, поскольку она имеет сложную несимметричную форму, которая не может быть найдена с помощью традиционных ручных методов проектирования.

С антенной, дедушкой Дарвином и компьютером разобрались, а причём тут, собственно, космический корабль, но, как вы уже догадались, эти антенны как раз и устанавливают на космические аппараты, чтобы эти аппараты могли лучше функционировать. Один из таких, самый первый аппарат Space Technology 5 с, не побоюсь этого слова, эволюционной:) антенной (evolved antenna) полетел в космос в 2006-м году, запустило его агентство NASA. Таким образом, это был первый искусственно созданный методом эволюционных алгоритмов объект, оказавшийся в космосе.

Данная миссия занималась исследованием магнитосферы Земли и состояла из трёх одинаковых микроспутников, массой по 25 кг, на каждом микроспутнике стояло по две антенны – искусственно выведенная:) и стандартной (спиральной) для таких миссий формы.

В дополнении к тому, что впервые в космосе использовалось оборудование, спроектированное компьютером с помощью таких алгоритмов, данная антенна продемонстрировала несколько преимущетств перед традиционной конструкцией:

Во-первых, при эволюционированнии антенны, были получены тысячи готовых форм, которые показывали различные необычные свойства, которые вряд ли могли быть найдены при ручном способе подбора.

Во-вторых, такой странный, на первый взгляд, тип конструкции показал недостижимую производительность, при которой достигается максимальная пропускная способность и затрачивается меньше энергии солнечных батарей или аккумуляторов.




С таким эволюционным подходом к дизайну антенн потребовалось 3 человеко-месяца на разработку конструкции, в сравнении с 5 человеко-месяцами при традиционном способе изготовления. Также такой подход к разработке позволяет быстро реагировать на постоянно изменяющиеся требования NASA к компонентам систем.

И, наконец, такой способ производства также можно использовать и в промышленных целях, для изготовления новых образцов продукции… Это всё и многое другое даёт нам эволюционный подход к дизайну.

По материалам Открытый космос

Добавить комментарий