Diseño Automático: Artificial y Natural
Yo era uno de los cuarenta físicos, químicos e ingenieros del Departamento de Investigación de mi empresa, Perkin-Elmer Corporation. Se suponía que íbamos a desarrollar nueva tecnología y nuevos instrumentos óptico-electrónicos. Nuestra empresa nos hizo trabajar en investigación para mantenernos a la vanguardia de la tecnología. Las mejores recompensas estaban reservadas para el investigador que inventaba una nueva solución a algún problema técnico. Ojalá muchos clientes potenciales tuvieran el problema, porque entonces necesitarían la solución. Nuestra empresa buscaba una patente exclusiva para cualquier dispositivo nuevo. Una vez que el diseño estaba a salvo de la imitación, el Departamento de Marketing [Ventas] sacaría un nuevo producto incorporando la invención. Idealmente, el producto sería tan superior a los productos de otros que todos comprarían de nuestra empresa. La empresa podría cobrar lo que quisiera por el producto y pronto sería muy rica. Este sueño ha motivado a muchos empresarios a contratar investigadores. Sin embargo, las buenas ideas son escasas.
Nuestra empresa se especializó en instrumentos electro-ópticos como cámaras de reconocimiento. Uno que fue desclasificado recientemente fue la cámara “Keyhole” [Hueco de llave] del programa “Hexagon” [hexágono], un telescopio espacial utilizado para observar actividades militares e industriales en países cerrados. Casi todos los instrumentos ópticos usan lentes.
El programa de diseño automático de lentes
Podemos hacer una lente de muchos materiales y de muchas maneras. Podemos variar la curvatura de cada superficie y la distancia entre las superficies. Cada superficie puede ser plana, esférica, parabólica, elíptica, hiperbólica o de alguna otra forma. El objetivo de una cámara suele constar de varios elementos ópticos. Los elementos se pueden cementar juntos en estrecho contacto o separados por cualquier distancia.
Nadie conoce el mejor diseño para una aplicación determinada. El diseño de la lente es muy complicado. Cuando un nuevo instrumento necesitaba una lente, los miembros del Grupo de Física Óptica se encargaron de su diseño. Eligieron entre los diseños de lentes conocidos el que les pareció mejor para la aplicación.
Luego ingresaron los parámetros de diseño en una computadora. El programa tenía todas las fórmulas matemáticas pertinentes al diseño de lentes.
El programa era un secreto empresarial celosamente guardado. Tenía un nombre pretencioso, "Diseño automático de lentes." Un programador se encargó de mantener el programa actualizado con todas las mejoras en el diseño de lentes.
El programa trazó rayos de luz a través de la lente utilizando fórmulas matemáticas incorporadas en el programa y buscó el punto focal de la imagen. El resultado habitual era que no todos los rayos se enfocaban en el mismo punto. Esta falla de diseño se llama "aberración." Los diseñadores de lentes han clasificado seis aberraciones que plagan constantemente sus lentes.
Alto secreto de la empresa
En este punto entraba en juego la parte secreta del programa, la parte que la empresa defendía del espionaje industrial.
Cualquier programa de diseño automático debe tener algún criterio de evaluación del resultado de los pequeños cambios para que pueda decidir seguir haciendo cambios del mismo tipo o intentar otra cosa. El criterio suele ser un número llamado "figura de mérito" para el diseño. Cuanto mayor sea el número, mejor será el diseño. La figura de mérito puede ser qué tan rápido volará un avión con un motor de potencia dada. Puede ser simplemente el tamaño más pequeño de algún arreglo, como una forma de empacar maletas en la cajuela de un automóvil. Para el diseño óptico era la menor aberración porque produciría la imagen más clara. La tarea del programa es encontrar el diseño con la mejor figura de mérito.
En primer lugar, el programa de diseño automático de lentes calculó la cantidad de aberración mediante una función especial. La función se denominó "función de mérito". Cuanto menor sea la aberración, mayor será el valor devuelto por la función y mayor el mérito del diseño.
En segundo lugar, el programa realizó pequeñas variaciones sistemáticas, una a una, de todos los parámetros y variables del diseño. Para cada variación, el programa tomó nota del aumento o reducción de la aberración total a medida que la función de mérito la midió y registró los resultados. Cada variable que redujo las aberraciones se marcó como positiva. Si una variable aumentaba las aberraciones, esa variable se marcaba como negativa, bajo el supuesto de que una variación en el otro sentido habría reducido las aberraciones.
Finalmente, el programa utilizó fórmulas matemáticas conocidas para calcular una variación compuesta formada por todos los parámetros. La variación compuesta era la combinación de todas las variaciones que produciría la mayor reducción de todas las aberraciones. Las fórmulas utilizadas garantizaron este resultado. La garantía, sin embargo, era sólo para pequeñas variaciones. Una pequeña variación solo podría producir una pequeña mejora.
Una vez que el programa había pasado por uno de estos ciclos de cálculos y encontrado la primera pequeña mejora en el diseño, repetía el proceso de encontrar pequeñas mejoras sin cesar. Los diseñadores de lentes creían que, si el diseño original se acercaba lo suficiente al diseño óptimo, la serie de pequeñas variaciones conduciría desde el diseño aproximado original hasta el diseño óptimo. La serie sería un camino de mejora constante en la función de mérito, hasta el punto en que la función alcanzaría su punto máximo, en el mejor diseño.
Saltos grandes no habrían dejado un rastro claro desde el inicio al óptimo. Fueron necesarios pequeños pasos para no perder el camino. El camino puede ser largo y tortuoso, pero finalmente los diseñadores pensaron que llegaría a la meta. El diseñador solo tenía que esperar, observar cómo se desarrollaba el diseño automáticamente y detener el proceso cuando el diseño dejaba de desarrollarse. En ese punto, la convergencia en el mejor diseño sería perfecta.
Yo era uno de los cuarenta físicos, químicos e ingenieros del Departamento de Investigación de mi empresa, Perkin-Elmer Corporation. Se suponía que íbamos a desarrollar nueva tecnología y nuevos instrumentos óptico-electrónicos. Nuestra empresa nos hizo trabajar en investigación para mantenernos a la vanguardia de la tecnología. Las mejores recompensas estaban reservadas para el investigador que inventaba una nueva solución a algún problema técnico. Ojalá muchos clientes potenciales tuvieran el problema, porque entonces necesitarían la solución. Nuestra empresa buscaba una patente exclusiva para cualquier dispositivo nuevo. Una vez que el diseño estaba a salvo de la imitación, el Departamento de Marketing [Ventas] sacaría un nuevo producto incorporando la invención. Idealmente, el producto sería tan superior a los productos de otros que todos comprarían de nuestra empresa. La empresa podría cobrar lo que quisiera por el producto y pronto sería muy rica. Este sueño ha motivado a muchos empresarios a contratar investigadores. Sin embargo, las buenas ideas son escasas.
Nuestra empresa se especializó en instrumentos electro-ópticos como cámaras de reconocimiento. Uno que fue desclasificado recientemente fue la cámara “Keyhole” [Hueco de llave] del programa “Hexagon” [hexágono], un telescopio espacial utilizado para observar actividades militares e industriales en países cerrados. Casi todos los instrumentos ópticos usan lentes.
El programa de diseño automático de lentes
Podemos hacer una lente de muchos materiales y de muchas maneras. Podemos variar la curvatura de cada superficie y la distancia entre las superficies. Cada superficie puede ser plana, esférica, parabólica, elíptica, hiperbólica o de alguna otra forma. El objetivo de una cámara suele constar de varios elementos ópticos. Los elementos se pueden cementar juntos en estrecho contacto o separados por cualquier distancia.
Nadie conoce el mejor diseño para una aplicación determinada. El diseño de la lente es muy complicado. Cuando un nuevo instrumento necesitaba una lente, los miembros del Grupo de Física Óptica se encargaron de su diseño. Eligieron entre los diseños de lentes conocidos el que les pareció mejor para la aplicación.
Luego ingresaron los parámetros de diseño en una computadora. El programa tenía todas las fórmulas matemáticas pertinentes al diseño de lentes.
El programa era un secreto empresarial celosamente guardado. Tenía un nombre pretencioso, "Diseño automático de lentes." Un programador se encargó de mantener el programa actualizado con todas las mejoras en el diseño de lentes.
El programa trazó rayos de luz a través de la lente utilizando fórmulas matemáticas incorporadas en el programa y buscó el punto focal de la imagen. El resultado habitual era que no todos los rayos se enfocaban en el mismo punto. Esta falla de diseño se llama "aberración." Los diseñadores de lentes han clasificado seis aberraciones que plagan constantemente sus lentes.
Alto secreto de la empresa
En este punto entraba en juego la parte secreta del programa, la parte que la empresa defendía del espionaje industrial.
Cualquier programa de diseño automático debe tener algún criterio de evaluación del resultado de los pequeños cambios para que pueda decidir seguir haciendo cambios del mismo tipo o intentar otra cosa. El criterio suele ser un número llamado "figura de mérito" para el diseño. Cuanto mayor sea el número, mejor será el diseño. La figura de mérito puede ser qué tan rápido volará un avión con un motor de potencia dada. Puede ser simplemente el tamaño más pequeño de algún arreglo, como una forma de empacar maletas en la cajuela de un automóvil. Para el diseño óptico era la menor aberración porque produciría la imagen más clara. La tarea del programa es encontrar el diseño con la mejor figura de mérito.
En primer lugar, el programa de diseño automático de lentes calculó la cantidad de aberración mediante una función especial. La función se denominó "función de mérito". Cuanto menor sea la aberración, mayor será el valor devuelto por la función y mayor el mérito del diseño.
En segundo lugar, el programa realizó pequeñas variaciones sistemáticas, una a una, de todos los parámetros y variables del diseño. Para cada variación, el programa tomó nota del aumento o reducción de la aberración total a medida que la función de mérito la midió y registró los resultados. Cada variable que redujo las aberraciones se marcó como positiva. Si una variable aumentaba las aberraciones, esa variable se marcaba como negativa, bajo el supuesto de que una variación en el otro sentido habría reducido las aberraciones.
Finalmente, el programa utilizó fórmulas matemáticas conocidas para calcular una variación compuesta formada por todos los parámetros. La variación compuesta era la combinación de todas las variaciones que produciría la mayor reducción de todas las aberraciones. Las fórmulas utilizadas garantizaron este resultado. La garantía, sin embargo, era sólo para pequeñas variaciones. Una pequeña variación solo podría producir una pequeña mejora.
Una vez que el programa había pasado por uno de estos ciclos de cálculos y encontrado la primera pequeña mejora en el diseño, repetía el proceso de encontrar pequeñas mejoras sin cesar. Los diseñadores de lentes creían que, si el diseño original se acercaba lo suficiente al diseño óptimo, la serie de pequeñas variaciones conduciría desde el diseño aproximado original hasta el diseño óptimo. La serie sería un camino de mejora constante en la función de mérito, hasta el punto en que la función alcanzaría su punto máximo, en el mejor diseño.
Saltos grandes no habrían dejado un rastro claro desde el inicio al óptimo. Fueron necesarios pequeños pasos para no perder el camino. El camino puede ser largo y tortuoso, pero finalmente los diseñadores pensaron que llegaría a la meta. El diseñador solo tenía que esperar, observar cómo se desarrollaba el diseño automáticamente y detener el proceso cuando el diseño dejaba de desarrollarse. En ese punto, la convergencia en el mejor diseño sería perfecta.