Hai mai notato come le colonie di formiche esplorino e sfruttino con successo le risorse del mondo to per trovare cibo ai picnic del 4 luglio, per esempio? Si può trovare fastidioso. Ma come ecologista che studia le formiche e il comportamento collettivo, penso che sia intrigante especially specialmente il fatto che è tutto fatto senza alcun controllo centrale.
Ciò che è particolarmente notevole: gli stretti paralleli tra le reti delle colonie di formiche e quelle ingegnerizzate dall’uomo. Un esempio è “Anternet”, dove noi, un gruppo di ricercatori di Stanford, abbiamo scoperto che l’algoritmo che le formiche del deserto usano per regolare il foraggiamento è come il protocollo di controllo del traffico (TCP) usato per regolare il traffico di dati su Internet. Sia le reti ant che quelle umane utilizzano feedback positivi: sia dai riconoscimenti che attivano la trasmissione del pacchetto di dati successivo, sia dai foraggiatori di ritorno carichi di cibo che attivano l’uscita di un altro foraggiatore in uscita.
Questa ricerca ha portato alcuni a meravigliarsi dell’ingegno delle formiche, capaci di inventare sistemi a noi familiari: wow, formiche hanno utilizzato algoritmi di internet per milioni di anni! (Wired, troppo, flirtato con il concetto di “anternet” nella sua colonna gergo Guarda l’anno scorso.)
Ma il comportamento degli insetti che imita le reti umane-un altro esempio sono le soluzioni simili alle formiche al problema del commesso viaggiatore fornito dall’algoritmo di ottimizzazione delle colonie di formiche-non è in realtà ciò che è più interessante delle reti di formiche. Ciò che è molto più interessante sono i paralleli nella direzione opposta: cosa hanno funzionato le formiche che noi umani non abbiamo ancora pensato?
Quali reti di colonie di formiche possono dirci quali sono le prospettive per quelle progettate dall’uomo
#### Deborah Gordon
##### Circa
Deborah M. Gordon è un professore nel Dipartimento di Biologia a Stanford. Studia l’evoluzione dell’organizzazione collettiva indagando l’ecologia e il comportamento delle colonie di formiche e ha ricevuto borse di studio dal Guggenheim e dal Center for Advanced Study in Behavioral Sciences. Gordon è autore di due libri, * Ants at Work * e * (http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior*.
Durante i 130 milioni di anni circa in cui le formiche sono state in giro, l’evoluzione ha sintonizzato gli algoritmi delle colonie di formiche per affrontare la variabilità e i vincoli stabiliti da ambienti specifici.
Le colonie di formiche utilizzano reti dinamiche di brevi interazioni per adattarsi alle mutevoli condizioni. Nessuna formica sa cosa sta succedendo. Ogni formica tiene traccia della sua recente esperienza incontrando altre formiche, sia in incontri uno contro uno quando le formiche toccano le antenne, o quando una formica incontra una sostanza chimica depositata da un altro.
Tali reti hanno reso possibile la fenomenale diversità e abbondanza di oltre 11.000 specie di formiche in ogni habitat immaginabile sulla Terra. Quindi Anternet, e altre reti ant, hanno molto da insegnarci. I protocolli Ant possono suggerire modi per costruire le nostre reti di informazione…
Trattare con alti costi operativi
Le colonie di formiche mietitrici nel deserto devono spendere acqua per ottenere acqua. Le formiche perdono acqua quando si foraggiano sotto il sole caldo e ottengono la loro acqua metabolizzandola dai semi che raccolgono. Poiché le colonie immagazzinano i semi, il loro sistema di feedback positivo non spreca lo sforzo di foraggiamento quando i costi dell’acqua sono alti even anche se significa che lasciano alcuni semi” sul tavolo ” (o meglio, a terra) da ottenere in un altro giorno più umido.
In questo modo, l’Anternet consente alla colonia di affrontare elevati costi operativi. In Internet, il protocollo TCP impedisce anche al sistema di inviare dati su Internet quando non c’è larghezza di banda disponibile. Lo sforzo sarebbe sprecato se il messaggio viene perso, quindi non vale la pena inviarlo a meno che non sia certo di raggiungere la sua destinazione.
Più recentemente, ho mostrato come la selezione naturale sta attualmente ottimizzando l’algoritmo di Anternet. Ho seguito una popolazione di 300 colonie di formiche mietitrici per più di 25 anni, e usando le impronte digitali genetiche abbiamo capito quali colonie avevano più colonie di prole.
Le colonie immagazzinano il cibo all’interno del nido come tattica di sopravvivenza. Nei giorni particolarmente caldi, le colonie che rischiano di rimanere basse invece di raccogliere più cibo sono quelle che hanno più colonie di prole durante la loro vita di 25 anni. __Restraint _ _ emerge quindi come la migliore strategia a livello di colonia. Le colonie longeve nel deserto regolano il loro comportamento non per massimizzare o ottimizzare l’assunzione di cibo, ma per andare avanti senza sprecare risorse.
Di fronte alla scarsità, l’algoritmo che regola il flusso delle formiche si sta evolvendo verso la minimizzazione dei costi operativi piuttosto che l’accumulo immediato. Questa è una strategia sostenibile per qualsiasi sistema, come una colonia di formiche del deserto o l’Internet mobile, dove è essenziale per raggiungere l’affidabilità a lungo termine, evitando lo sforzo sprecato.
>Durante i 130 milioni di anni circa in cui le formiche sono state in giro, l’evoluzione ha sintonizzato gli algoritmi delle colonie di formiche.
Scalabilità da piccoli a grandi sistemi
Cosa succede quando un sistema si ridimensiona? Come i sistemi ingegnerizzati dall’uomo, i sistemi ant devono essere robusti per scalare man mano che la colonia cresce e devono essere in grado di tollerare il fallimento dei singoli componenti.
Poiché i grandi sistemi consentono una certa confusione, le soluzioni ideali utilizzano i contributi di ogni formica aggiuntiva in modo tale che il beneficio di un lavoratore extra superi il costo di produzione e alimentazione.
Gli strumenti che servono bene le grandi colonie, quindi, sono la ridondanza e le informazioni minime. Enormi colonie di formiche funzionano usando interazioni molto semplici tra formiche senza nome senza alcun indirizzo.
Nei sistemi ingegnerizzati anche noi siamo alla ricerca di modi per garantire risultati affidabili, come le nostre reti scala, utilizzando operazioni a basso costo che fanno uso di casualità. Eleganti design top-down sono attraenti, ma la robustezza degli algoritmi ant mostra che tollerare l’imperfezione a volte porta a soluzioni migliori.
Ottimizzazione per il vantaggio della prima mossa
La diversità degli algoritmi ant mostra come l’evoluzione ha risposto a diversi vincoli ambientali. Quando i costi operativi sono bassi e le colonie cercano una delicatezza effimera-come il nettare dei fiori o le scorze di anguria-la velocità di ricerca è essenziale se la colonia deve catturare il premio prima che si asciughi o venga portata via.
Poiché le colonie di formiche competono tra loro e molte sono alla ricerca dello stesso cibo, la prima colonia ad arrivare potrebbe avere le migliori possibilità di aggrapparsi al cibo e tenere lontane le altre formiche.
In che modo una colonia raggiunge questo vantaggio di prima mossa senza alcun controllo centrale? La sfida in questa situazione è che la colonia gestisca il flusso di formiche in modo che abbia una formica quasi ovunque quasi tutto il tempo. L’obiettivo è quello di aumentare la probabilità che qualche formica sarà abbastanza vicino per incontrare qualunque cosa accada a presentarsi.
Una strategia che le formiche usano (familiare dalle nostre reti di dati) è quella di creare un circuito di autostrade permanenti-come una rete di torri di telefonia cellulare-da cui le formiche cercano localmente. Le formiche argentine invasive sono esperti in questo; troveranno qualsiasi briciola che atterra sul bancone della cucina.
Le formiche argentine regolano anche i loro percorsi, passando da una passeggiata vicina a casuale quando ci sono molte formiche in giro, portando ogni formica a cercare accuratamente in una piccola area, a un percorso più dritto quando ci sono poche formiche in giro, permettendo così all’intero gruppo di coprire più terreno.
Come una rete distribuita di risposta alla domanda, le risposte aggregate di ogni ant alle condizioni locali generano il risultato per l’intero sistema, senza alcuna direzione o controllo centralizzato.
>Di fronte alla scarsità, l’algoritmo che regola il flusso delle formiche si sta evolvendo verso la minimizzazione dei costi operativi piuttosto che l’accumulo immediato.
Affrontare le violazioni della sicurezza e le catastrofi
Nei tropici, dove centinaia di specie di formiche sono imballate insieme e competono per le risorse, le colonie devono affrontare i problemi di sicurezza. Ciò ha portato all’evoluzione dei protocolli di sicurezza che utilizzano le informazioni locali per il rilevamento delle intrusioni e per la risposta.
Una colonia potrebbe usare (“prendere in prestito” o “rubare”, come direbbero gli umani) informazioni da un’altra, come le scie chimiche o la densità delle formiche, per trovare e utilizzare le risorse.
Invece di tentare di prevenire completamente le incursioni, tuttavia, le formiche creano sistemi di identità sciolti e stocastici in cui una specie regola il suo comportamento in risposta al livello di incursione di un’altra.
Ci sono evidenti paralleli con la sicurezza del computer. Sta diventando chiaro (considera gli eventi recenti!) che anche noi avremo bisogno di implementare la valutazione locale e la riparazione delle intrusioni, tollerando un certo livello di imperfezione. Le formiche hanno trovato il modo di lasciare che i loro sistemi rispondano alle incursioni degli altri, senza tentare di istituire un’autorità centrale che regola gli hack.
>Ants hanno evoluto protocolli di sicurezza che utilizzano le informazioni locali per il rilevamento delle intrusioni e la risposta.
Alcune delle nostre reti sembrano muoversi verso l’utilizzo di metodi implementati dalle formiche.
Prendi i protocolli di disaster recovery delle formiche che foraggiano negli alberi dove i rami possono rompersi, quindi la minaccia di rottura è alta. Una rete ad anello, con segnali o formiche che scorrono in entrambe le direzioni, consente un rapido recupero qui; dopo una pausa nel flusso in una direzione, il flusso nell’altra direzione può ristabilire un collegamento.
Allo stesso modo, le prime reti di cavi in fibra ottica sono state spesso interrotte da macchine agricole e altri scavi: una rottura potrebbe far cadere il sistema perché isolerebbe ogni carico. Gli ingegneri presto scoperto, come le formiche hanno già fatto, che le reti ad anello creerebbero reti che sono più facili da riparare.
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Le nostre reti continueranno a cambiare ed evolversi. Esaminando e confrontando gli algoritmi utilizzati dalle formiche nel deserto, nella foresta tropicale, e le specie invasive che visitano le nostre cucine, è già ovvio che le formiche hanno escogitato nuove soluzioni che possono insegnarci qualcosa su come dovremmo progettare i nostri sistemi.
Usando semplici interazioni come il breve tocco delle antenne-non diversamente dai nostri fugaci aggiornamenti di stato nei social network effimeri-le colonie creano reti che rispondono a un mondo che cambia costantemente, con risorse che appaiono in patch e poi scompaiono. Queste reti sono facili da riparare e possono crescere o ridursi.
Le colonie di formiche sono state usate nel corso della storia come modelli di industria, obbedienza e saggezza. Anche se le formiche stesse possono essere indolenti, sconsiderate degli altri e decisamente stupide, abbiamo molto da imparare dai protocolli delle colonie di formiche. Le formiche hanno sviluppato modi di lavorare insieme che non abbiamo ancora sognato.
Wired Opinion Editor: Sonal Chokshi @ smc90