KI simuliert Evolution: So entstehen Insekten- und Linsenaugen

Ein internationales Team aus Forschern des MIT, der Rice University und der Universität Lund hat die Evolution des Auges simuliert und zeigt auf, dass die Vielfalt von Augenformen in der Natur kein Zufall ist, sondern das Ergebnis von Selektion. Das Team um Kushagra Tiwary vom MIT entwickelte ein Framework namens „What if Eye…?“, das Agenten in einer 3D-Umgebung evolvieren lässt – ähnlich wie Spielfiguren in einem Videospiel, die jedoch nicht von Menschen gesteuert werden, sondern lernen und sich verändern. Dabei entstanden – ohne externe Vorgaben – sowohl die Facettenaugen von Insekten als auch die hochauflösenden Linsenaugen von Raubtieren und Menschen.

Die Studie erschien kürzlich im Fachjournal „Science Advances“; eine Preprint-Fassung der Arbeit ist seit Anfang des Jahres bei arXiv verfügbar.

Evolution als Single-Player-Game

Zentral an der Arbeit ist ein Framework auf Basis der sogenannten Embodied AI (verkörperte Künstliche Intelligenz). Die Forschenden modellierten ihre Agenten als Single-Player-Games mit spezifischen Spielregeln: Ein Agent erhält Belohnungspunkte für erfolgreiche Aktionen (sogenannte „Rewards“), genau wie ein Spieler Punkte sammelt. Diese Reward-Struktur treibt die Evolution an.

Anders als bei klassischen Computer-Vision-Modellen, die lediglich statische Bilder in Datenbanken klassifizieren, simulierten die Forschenden ganze Agenten in einer physikalisch korrekten 3D-Umgebung auf Basis der MuJoCo-Physics-Engine. Die Agenten bewegen sich durch diese Welt wie NPCs (Non-Player-Characters) in einem Videospiel – mit Sensorik, Körper und Motorik.

Dabei griffen die Wissenschaftler auf einen methodisch anspruchsvollen Mix zurück: Ein genetischer Algorithmus (CMA-ES) steuerte über hunderte von Generationen hinweg die Mutationen des „Genoms“, das sowohl die Bauform der Augen als auch die Architektur des Gehirns festlegte. Innerhalb ihrer „Lebensspanne“ trainierten die individuellen Agenten dann ihr neuronales Netz mittels Reinforcement Learning. Dieses Verfahren wird auch bei modernen Videospiel-KIs wie AlphaGo verwendet. Dabei sollten die Agenten mit der ihnen gegebenen Hardware bestmöglich zurechtkommen. Jeder löste also sein persönliches Mini-Spiel – und wer am besten spielte, durfte seine Gene weitergeben. Dieser Ansatz der Co-Evolution zwang das System dazu, Hardware und Software gleichzeitig zu optimieren – ein hochauflösendes Auge bringt schließlich keinen Vorteil, wenn das Gehirn die Datenflut nicht verarbeiten kann.

Um zu prüfen, ob der Selektionsdruck tatsächlich die Bauform der Augen diktiert, konfrontierte das Team die Agenten mit zwei grundlegend verschiedenen Spiel-Szenarien. Im ersten Szenario war die Mission: schneller durch ein Labyrinth navigieren. Die Belohnung kam für jede Sekunde Zeit, die gespart wurde. Die Evolution brachte hier eine Lösung hervor, die stark an die Facettenaugen von Insekten erinnert. Die Agenten entwickelten ein Netzwerk aus weit verteilten, einfachen Augen, die den Kopf umrundeten. Diese Konfiguration opferte Detailschärfe zugunsten eines enormen Sichtfeldes von rund 135 Grad, um den optischen Fluss zur Hinderniserkennung zu nutzen. Wer nicht sehen konnte, was links und rechts kommt, prallte gegen die Wand und verlor Punkte.

Bei einem zweiten Spiel-Szenario mussten die Agenten ein spezifisches Zielobjekt (Nahrung) identifizieren und es erreichen, während sie täuschend ähnliche Objekte (Gift) meiden mussten. Einen Reward gab es nur für den korrekten Fund. Unter diesem Druck selektierte die Simulation gnadenlos in Richtung des „Kamera-Auges“: Die Agenten reduzierten die Anzahl der Augen, richteten sie frontal aus und erhöhten die Dichte der Photorezeptoren massiv. Das Resultat war eine Konstruktion, die funktional den Augen von Raubtieren oder Primaten gleicht. Die Simulation liefert damit den experimentellen Nachweis, dass es keine universell „beste“ Augenform gibt, sondern dass die Spiel-Anforderung – oder in der Natur: die ökologische Nische – die Architektur des Sinnesorgans bestimmt.

Linsen als physikalische Notwendigkeit

Besonders aufschlussreich ist der Teil der Studie, der sich mit der Entstehung der Linse befasst. Die Forschenden implementierten ein physikalisch korrektes Wellenmodell des Lichts – eine realistische Physics-Engine für optische Effekte. Ihre Frage: Wie „findet“ die Evolution die Lösung, wenn die Spielregeln physikalisch kompliziert sind?

In den ersten Generationen „entdeckten“ die Agenten lediglich das Prinzip der Lochkamera: Kleinere Pupillen sorgten für schärfere Bilder. Doch diese Strategie führte schnell in eine Sackgasse – ein klassisches Game-Over-Szenario. Kleine Pupillen lassen nur wenig Licht durch, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) so schlecht wurde, dass die Agenten ihre Leistung nicht mehr steigern konnten. Sie waren in einem „lokalen Optimum“ gefangen.

Erst als die Simulation Mutationen zuließ, die den Brechungsindex des Materials veränderten – also die Spielregeln neuen Content hinzufügten –, brach das System aus diesem Dilemma aus. Anfangs entstanden Strukturen, die eher diffusen Klumpen glichen – gescheiterte Versuche. Doch über hunderte Generationen hinweg schliff die Selektion diese zu präzisen Linsen mit glatten Oberflächen. Dies erlaubte es den Agenten, ihre Pupillen wieder zu öffnen, um mehr Licht einzufangen, ohne dabei an Bildschärfe zu verlieren. Die Linse erscheint in der Simulation somit nicht als zufällige Laune der Natur, sondern als die eine naheliegende physikalische Lösung, um den Kompromiss zwischen Lichtempfindlichkeit und Auflösung aufzulösen. Ein brillanter Exploit der Natur.

Skalierungsgesetze für Gehirn und Sensor

Bereits kleine Verbesserungen der Sehschärfe erfordern laut Analyse eine überproportional größere Menge an neuronalen Ressourcen zur Verarbeitung. Die Simulation zeigte, dass eine Verbesserung der optischen Hardware nur dann einen evolutionären Vorteil brachte, wenn gleichzeitig das neuronale Netz wuchs. Ein gutes Auge ohne schnelles Gehirn bringt keine höhere Punktzahl.

Dieses Ergebnis deckt sich mit Beobachtungen aus der Biologie, wo Arten mit hochauflösendem Sehen – wie etwa Cephalopoden oder Vögel – im Verhältnis deutlich größere Gehirne besitzen als Organismen mit simplen Lichtsensoren wie Plattwürmer oder Quallen.

(mack)