简介

定向进化模式（DE）源于达尔文对物种的进化，以及最近在计算机科学和蛋白质工程中的许多应用。最著名的就是利用描述自然选择的力量进化具有自然界中没有理想特性的蛋白质（或RNA）的方法和系统。

微生物领域典型的定向进化实验包括三个步骤：

1.多样性和分析：编码目的蛋白质基因被随机突变和/或重组，以创建一个庞大的基因变异库。这一步中常用的技术是容易出错的PCR和DNA改组。

2.关键功能和输入的识别和选择：使用筛选或选择来测试文库是否存在具有所需属性的突变体(变体)。筛选和查询使研究人员能够手工识别和分离高性能的突变体，而会自动选择消除所有无功能的突变体。

3.扩增和实施：在选择或筛选中发现的变异被多次复制，使研究人员能够对他们的DNA进行排序，以便了解发生了什么突变。

这些步骤一起被称为定向进化的“一个回合”。大多数专家将进行不止一个回合的实验。在这些实验中，上一轮的“赢家”在下一轮被多样化，创建一个新的信息库。在实验结束时，所有进化的蛋白质或RNA突变体都用生化方法进行了表征。

定向进化实验成功的可能性与总库的大小和范围直接相关，因为评估更多的突变体和变量会增加找到具有所需特性的突变体和变量的机会。执行多轮进化非常有用，不仅因为每轮都会创建一个新的突变体库，还因为每个新库都使用更好的突变体作为模板。

Schwaneberg研究小组将这项实验比作在海拔与预期特性有关的地形上爬山。目标是登上代表最好突变体的顶峰。每一轮选择都会在起始模板的所有侧面对突变体进行取样，并选择海拔最高的突变体，从而爬山。

新的一轮对这个新模板的所有侧面的突变体进行采样，并挑选其中最高的一个，依此类推，直到达到顶峰。定向进化方法的优点是研究人员不需要了解期望活动的机制就可以改进它。

随着我们进入21世纪的第二个十年，目前的进化生物学研究涉及到现代进化综合可能需要修改或扩展的几个领域，例如评估关于选择和进化单位的各种想法的相对重要性，以及如何充分整合进化发育生物学的研究结果。

DE与创新管理

定向进化方法论是管理定向创新的关键组成部分，它是从俄罗斯科学家阿奇舒勒在1946年所做的最初工作发展而来的，其根源可以追溯到爱迪生、特斯拉和亨利·福特。阿奇舒勒研究了大约20万项专利中包含的知识产权，他发现，在这些研究的基础上，所有类型的创新思维背后都有一套模式。他的结论是，与产品相关的技术演变成了一种可预测的进化模式或趋势。最初，TRIZ方法主要应用于重新设计或创建新产品和/或生产操作。

当人们意识到TRIZ方法可以应用于开发、生产和支持领域的过程改进时，它就获得了重大突破。因此，i-TRIZ创始人于1994年在技术创新领域引进了“定向进化”(DE）方法。

就像在蛋白质工程领域一样，定向进化方法的优势在于，研究人员不需要了解所需的活性机制就可以进行改进。该方法的另一个关键是专利和相关数据库的大小和范围，这是类似蛋白质工程的另一个关键。

由于进化可以产生高度优化的过程和网络，定向进化在计算机科学中有许多应用。在这里，使用进化算法和人工生命模拟进化始于20世纪60年代尼尔斯·奥尔·巴里切利（Nils Aall Barricelli）的工作，并由亚历克斯·弗雷泽（Alex Fraser）扩展，他发表了一系列关于模拟人工选择的论文。由于Ingo Rechenberg在20世纪60年代和70年代早期的工作，人工进化成为一种广泛认可的优化方法，他使用进化策略来解决复杂的工程问题。

基因算法特别因为约翰·霍兰德的著作变得流行起来，随着学术兴趣的增长，计算机能力的急剧增长使得实际应用成为可能，包括计算机程序的自动进化。进化算法现在被用来解决多维问题，它比人类设计者制作的软件更有效，同时它也被用来优化系统设计。

图1:定向进化示意图

关键要素说明

TRIZ预测方法是TRIZ技术系统进化模式研究的自然产物。这些模式是在对不同技术领域的数十万个创新设计应用程序进行严格分析后发现的。

通过使用这些模式，可以系统地生成开发下一代产品或流程所需的创意。因此，与传统的技术预测相反，TRIZ预测是通过在系统自然发生之前对其进行发明，来“强制”系统实现其最可能的未来发展。

进化有八种模式：

1.S曲线进化模式

2.提高理想度进化

3.子系统不均衡进化

4.向提高动态性和可控性进化

5.先复杂后简化进化

6.子系统的协调和适配进化

7.向微观进化和增加使用场

8.向减少人工介入进化

注意：虽然定向进化图中总共显示了十二个元素(参见图1)，但为了持续改进过程，它们被合并成八个通用模式，称为“攀登奇异山脉”。

定向进化过程及其相关操作可以概括为四个步骤，如下所示。这些模式利用技术、营销、组织（企业）等多条进化线，以确定系统进化的多个潜在场景/方向。然后从不同的角度分析这些场景，然后逐轮选择最有希望的场景。剩余部分可以考虑供将来使用或视为不可行。未来的发展方向可能会获得专利，从而成为专利围栏的一部分。一旦“回合”完成并确定了最佳方向，就可以做出财务和人员配置决定。所选择的方向可能会在很长一段时间内处于领先地位，直到技术概念的资源耗尽。同时，为了保持更高的性能，有必要开发下一代系统。

(B)预测失效分析-应用于识别和避免与选定的反应相关的潜在危险，以及问题的形成和解决方案的开发。

总  结

定向进化是一个持续的过程，应该监控系统的进化，以便结合提供改进的新兴技术和材料。定向进化是一种控制产品、技术、过程或组织命运的方式。似乎随着化肥、农药和生物技术的出现，我们生产农作物的能力应该是无限的。昆虫和植物病害在强大的现代农业技术面前有什么胜算？但是生物系统在进化。随着新技术的引入，昆虫和疾病也在进化。变量是变化的，因为进化是随着时间的推移而变化的。爱尔兰土豆缺乏基因变异导致了爱尔兰土豆饥荒的严重程度，这场饥荒曾摧毁爱尔兰的人口和经济。

今天，进化论告诉我们，依赖低遗传变异的作物可能会导致灾难。听从科学家和历史的警告可能有助于我们防止因环境条件变化而造成的大范围农作物破坏。大量生产基因相似的食品(如正在收割的谷物和红洋葱)使我们的食品价格低廉，但也使它们容易受到疾病和虫害的影响。如同在商业领域，农业和经济领域，在医学和环境保护领域，历史总在重复。

尽管种植单一的、基因一致的作物可能会增加短期产量，但进化论和历史教训突出了一个令人不快的副作用。种植基因一致的作物增加了当环境变量发生变化时“失去一切”的风险：例如，如果引入了新的害虫或降雨量下降。应用于商业运营的创新和定向进化领域也是如此：基因统一的知识产权和产品增加了失去一切的风险。或者正如创新专家詹姆斯·希金斯(James Higgins)所说：要么创新，要么蒸发。进化的随机性与世界历史本身相矛盾，在世界历史中，我们可以看到清楚的证据表明，一种非随机的模式表现出进化的属性，即“某种进化”。

我们称这种效应为‘Eonic效应’， 我们的创新管理方法就是这种效应的商业实例。其结果是系统分析的一个奇迹，并立即澄清了作者留给我们的难题，因为它向我们展示了一种新的模型，可以帮助我们像第一次一样看到数据。不言而喻，技术是经济活动中的主要支配力量。对于工业、金融和社会企业来说，提前认识到将塑造未来的可行技术发展和新兴创新是极其重要的。自20世纪50年代中期以来，技术预测一直用于预测未来的发展模式，此后已演变为包括趋势探索、形态建模、德尔菲过程和若干概率建模系统。

技术预测报告某些设计参数在未来某个时间落在特定置信区间内的概率。TRIZ预测是20世纪70年代在经典TRIZ基础上发展起来的一种前瞻性预测方法。TRIZ预测使用技术系统的演变模式，确定未来产品和关键工艺的设计进展，以缩小参数范围并为置信水平定义在更窄的范围。在过去的二十年里，TRIZ学院继续全面推进TRIZ以及TRIZ预测。到1995年，TRIZ预测已经发展成为定向进化®(I-TRIZ)的应用。这一改进吸收纳入了数百条进化线，它们构成了识别潜在进化情景的综合集合过程。

与定向进化相关的预测为战略规划过程提供了重要的输入。这些预测被用来更好地理解现有产品和市场可能面临的威胁和机遇。因此，还可以评估必要变化的性质和程度。可靠的预测使企业能够主动规划未来，而不是仅仅对关键事件作出反应。近年来，为了最大限度地利用现有信息也开发了许多技术预测的技术。

因为技术对我们社会中的许多重要变化负有责任，所以预测未来的技术进步及其相关影响对于最高管理层在形成公司战略时具有重要作用，就像对审查其研发计划的技术专家一样重要。技术变革可能会导致行业或市场的瓶颈或重新定义。定向进化源于I-TRIZ方法论，它帮助管理层获得更准确的未来图景，从而改进决策。现在，未来最好的设计可以在今天被创造出来。

文丨Frank Voehl

Boris Zlotin

ITRIZS联合创始人（原ITRIZS主席）

Alla Zusman

ITRIZS联合创始人（原ITRIZS副主席）

翻译丨Wednesday

审校丨Marcus

编辑丨Zizi

法思诺创新 Fasinno 

法思诺拥有一支超强实力的创新顾问团队。如技术创新领域，汇聚了两位华人TRIZ五级大师（含全球首位华人TRIZ五级大师），四位TRIZ四级专家；在产品创新领域，拥有一位设计思考大师和三位设计思考教练；在研发和管理创新方面，拥有三位六西格玛黑带大师和精益管理大师。

法思诺拥有自主知识产权的专业创新课程体系，其中的TRIZ Talk课程更是成为华为、美的、中石油等企业内部指定创新课程。

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