演化力学：在动态和不确定世界中涌现灵活性的新工程原理

工程系统被设计为在预定条件下灵活运行，但在出现意外扰动时却极其脆弱。相比之下，生物系统以高度灵活的方式运行；快速学习对新条件的适当响应，并演化出新的常规/特征以在持续的环境变化中保持竞争力。最近一项关于生物灵活性起源的理论提出，简并性——存在具有部分重叠功能的多功能组件——是演化系统中鲁棒性和适应性的主要决定因素。虽然简并性对生物灵活性的贡献已有充分记录，但关于在系统工程中实现灵活性的简并性设计原理的研究却很少。实际上，可能导致简并性的条件在工程设计中通常被消除。以运输车队规划为案例研究，本文报告了简并性在不牺牲效率成本的情况下提高模拟车队鲁棒性和适应性的证据。我们发现简并性显著提高了车队对环境中不可预测变化的鲁棒性，同时也增强了对预期变化的鲁棒性。当我们允许车队的架构根据环境变化进行适应时，我们发现简并性可以被选择性地获取，从而导致更快的设计适应速率，并最终产生更好的设计。鉴于观察到有利短期和长期性能结果的条件范围，我们提出简并性设计原理从根本上改变了适应倾向，并可能在多个工程和规划背景下有用。