It has long been hypothesized that operating close to the critical state is beneficial for natural, artificial and their evolutionary systems. We put this hypothesis to test in a system of evolving foraging agents controlled by neural networks that can adapt agents' dynamical regime throughout evolution. Surprisingly, we find that all populations that discover solutions, evolve to be subcritical. By a resilience analysis, we find that there are still benefits of starting the evolution in the critical regime. Namely, initially critical agents maintain their fitness level under environmental changes (for example, in the lifespan) and degrade gracefully when their genome is perturbed. At the same time, initially subcritical agents, even when evolved to the same fitness, are often inadequate to withstand the changes in the lifespan and degrade catastrophically with genetic perturbations. Furthermore, we find the optimal distance to criticality depends on the task complexity. To test it we introduce a hard and simple task: for the hard task, agents evolve closer to criticality whereas more subcritical solutions are found for the simple task. We verify that our results are independent of the selected evolutionary mechanisms by testing them on two principally different approaches: a genetic algorithm and an evolutionary strategy. In summary, our study suggests that although optimal behaviour in the simple task is obtained in a subcritical regime, initializing near criticality is important to be efficient at finding optimal solutions for new tasks of unknown complexity.


翻译:长期以来,人们一直假设在接近临界状态的情况下运作对于自然、人工和进化系统都有好处。我们在一组由神经网络控制的进化的觅食智能体系统中测试了这一假设,这些系统可以通过进化来调节智能体的动态状态。令人惊讶的是,我们发现所有发现解决方案的种群都进化成亚临界系统。通过弹性分析,我们发现在此过程中,接近临界点的初始智能体保持其适应度水平,即使面临环境变化(例如寿命),也会逐渐退化。同时,即使进化出相同适应度的智能体,在生命周期内经历的变化以及基因突变上,初始亚临界智能体往往也不足以承受荒漠化的影响。此外,我们发现最佳的临界点距离取决于任务的复杂性。为测试其有效性,我们引入了一项难易程度分别为困难和简单的任务:针对困难任务,智能体更接近临界水平;而对于简单任务,则更可能进化出亚临界的解决方案。我们验证了我们的结果不受所选进化机制的影响,通过两种原则上不同的方法进行测试:遗传算法和进化策略。总之,我们的研究表明,对于未知复杂度的新任务,尽管简单任务的最佳表现在亚临界状态下实现,但初始状态接近临界状态非常重要,以便高效地找到最优解。

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