Биологические вычисления, или вычисления, вдохновленные природой, — это очень новая дисциплина, которая стремится разрабатывать новые вычислительные методы, наблюдая за тем, как естественные явления ведут себя для решения сложных проблем в различных ситуациях окружающей среды. Это привело к новаторским исследованиям, которые создали новые отрасли, такие как нейронные сети, роевой интеллект, эволюционные вычисления и искусственные иммунные системы. Методы биологических вычислений используются в областях физики, биологии, техники, экономики и даже управления.
Информатика против природных явлений
Достижения в области больших данных, информатики и вычислительной аналитики способствовали созданию естественных вычислений. Исследователи и ученые изучают, как биологические группы, такие как колонии муравьев, пчелиные ульи и стаи птиц, реагируют на раздражители, обрабатывают информацию и принимают решения. Например, некоторые стаи птиц коллективно демонстрируют альтруистическое поведение, оставляя здоровую птицу рядом с раненой на земле.
Независимо от результата, программное обеспечение для моделирования может имитировать реакции и поведение, чтобы понять очень сложные и динамичные органические системы. Типичная система программного обеспечения в этой области основана на концепциях самоорганизации и сложных биологических систем. Используемое программное обеспечение может воссоздать то, как популяции автономных объектов в естественной среде принимают решения.
Эффекторы и детекторы
Автономные объекты в программных системах биологических вычислений состоят из двух понятий: эффекторов и детекторов. Может быть несколько детекторов, которые получают информацию о соседних агентах и окружающей среде. Может быть несколько эффекторов, которые демонстрируют определенное поведение, вызывают изменения своего внутреннего состояния и вызывают изменения в окружающей среде. Эффекторы облегчают обмен информацией между автономными объектами.
Программные системы состоят из определенных правил поведения, которые имеют решающее значение для автономного объекта. Обычно они используются, чтобы решить, как автономный объект должен действовать с информацией или реагировать на локальные стимулы, которые собираются и передаются детекторами. Автономные объекты способны к обучению, потому что они реагируют на локальные изменяющиеся условия, изменяя с течением времени свои коллективные правила поведения.
Разработка моделей и алгоритмов
Есть только несколько колледжей в мире, которые предлагают ученые степени в этой увлекательной области. Студенты-инженеры и компьютерщики в таких учебных заведениях изучают, как природа предоставляет лучшие инструменты и модели для эффективного и действенного решения сложных задач. Основной целью этих исследовательских программ является разработка вычислительных моделей и передовых алгоритмов, основанных на естественном интеллекте, присутствующем в химических, физических и биологических системах. Эти студенты изучают, как создавать инновационные решения в инженерных областях, связанных со здоровьем, энергетикой, безопасностью и окружающей средой.
Некоторые программы фокусируются на подходах «сверху вниз» или «объективных» подходах, строящих вычислительные модели для понимания социального и биологического интеллекта, встречающегося в природе. Эти программы в основном интересуются обработкой нейронной информации и принципами организации нейронного развития у животных. Подход «снизу вверх» направлен на разработку эффективных алгоритмов статистического, математического и машинного обучения, которые могут решать сложные задачи. К ним относятся интеллектуальный анализ данных, извлечение знаний, распознавание образов, обработка сигналов, групповое принятие решений и самоорганизация коллективных систем.
Перспективы биологических вычислений
Вдохновленные природой вычисления — это захватывающая новая область, которая обещает реальный прорыв в таких направлениях, как робототехника, локализация источников, обнаружение угроз, отслеживание движения, анализ медицинских изображений, интеллектуальные тепловые решения и оптимизация аэродинамического дизайна.