co mravenci vědí, že nemáme't?

všimli jste si někdy, jak kolonie mravenců tak úspěšně prozkoumávají a využívají zdroje na světě … aby našli jídlo například na pikniku 4. července? Může vám to připadat nepříjemné. Ale jako ekolog, který studuje mravence a kolektivní chování, si myslím, že je to zajímavé-zejména skutečnost, že se to všechno děje bez jakékoli centrální kontroly.

co je zvláště pozoruhodné: úzké paralely mezi sítěmi kolonií mravenců a lidmi vytvořenými. Jedním z příkladů je „Anternet“, kde jsme my, skupina vědců ze Stanfordu, zjistili, že algoritmus pouštní mravenci používají k regulaci shánění potravy, je jako protokol řízení provozu (TCP) používaný k regulaci datového provozu na internetu. Mravenčí i lidské sítě používají pozitivní zpětnou vazbu: buď z potvrzení, která spouštějí přenos dalšího datového paketu, nebo z vracejících se foragerů naložených potravinami, které spouštějí výstup jiného odchozího forageru.

tento výzkum vedl některé k úžasu nad vynalézavostí mravenců, schopných vymýšlet systémy, které jsou nám známé: páni, mravenci používají internetové algoritmy po miliony let! (Wired také loni koketoval s pojmem „anternet“ ve svém žargonu.)

ale chování hmyzu napodobující lidské sítě-dalším příkladem jsou mravenčí řešení problému obchodního cestujícího poskytovaného algoritmem optimalizace mravenčích kolonií-ve skutečnosti není to, co je na mravenčích sítích nejzajímavější. Co je mnohem zajímavější, jsou paralely v opačném směru: co mravenci vypracovali, na které nás lidi ještě nenapadlo?

co Ant Colony Networks nám mohou říci o tom, co bude dál pro ty, které jsou navrženy člověkem

během přibližně 130 milionů let, kdy byli mravenci kolem, evoluce vyladila algoritmy kolonie mravenců, aby se vypořádaly s variabilitou a omezeními stanovenými specifickými prostředími.

mravenčí kolonie používají dynamické sítě krátkých interakcí k přizpůsobení se měnícím se podmínkám. Žádný mravenec neví, co se děje. Každý mravenec jen sleduje své nedávné zkušenosti se setkáním s jinými mravenci, buď při setkání jeden na jednoho, když se mravenci dotknou antén, nebo když mravenec narazí na chemickou látku uloženou jiným.

tyto sítě umožnily fenomenální rozmanitost a hojnost více než 11 000 druhů mravenců v každém myslitelném stanovišti na Zemi. Takže Anternet a další mravenčí sítě nás mají hodně co učit. Protokoly Ant mohou navrhnout způsoby, jak budovat vlastní informační sítě…

řešení vysokých provozních nákladů

kolonie mravenců v poušti musí utrácet vodu, aby získali vodu. Mravenci ztrácejí vodu při shánění potravy na horkém slunci a získávají vodu metabolizací ze semen, která shromažďují. Protože kolonie ukládají semena, jejich systém pozitivní zpětné vazby neztrácí úsilí při hledání potravy, když jsou náklady na vodu vysoké-i když to znamená, že nechávají některá semena „na stole“ (nebo spíše na zemi), která mají být získána v jiný, vlhčí den.

tímto způsobem umožňuje anternet kolonii vypořádat se s vysokými provozními náklady. Na internetu protokol TCP také zabraňuje systému odesílat data na internet, pokud není k dispozici žádná šířka pásma. Úsilí by bylo zbytečné, pokud je zpráva ztracena, takže nestojí za to ji poslat, pokud není jisté, že dosáhne svého cíle.

v poslední době jsem ukázal, jak přirozený výběr v současné době optimalizuje algoritmus Anternetu. Sleduji populaci 300 kombajnových mravenčích kolonií více než 25 let a pomocí genetických otisků prstů jsme zjistili, které kolonie mají více potomků.

kolonie ukládají jídlo uvnitř hnízda jako taktiku přežití. V obzvláště horkých dnech jsou kolonie, které pravděpodobně budou ležet nízko, místo aby sbíraly více potravin, ty, které mají během 25letého života více kolonií potomků. __Restraint _ _ se proto jeví jako nejlepší strategie na úrovni kolonie. Kolonie s dlouhou životností v poušti regulují své chování, aby maximalizovaly nebo optimalizovaly příjem potravy, ale místo toho pokračovaly bez plýtvání zdroji.

vzhledem k nedostatku se algoritmus, který reguluje tok mravenců, vyvíjí směrem k minimalizaci provozních nákladů spíše než k okamžité akumulaci. Jedná se o udržitelnou strategii pro jakýkoli systém, jako je kolonie pouštních mravenců nebo mobilní internet, kde je nezbytné dosáhnout dlouhodobé spolehlivosti a zároveň se vyhnout zbytečnému úsilí.

škálování z malých na velké systémy

co se stane, když se systém zvětší? Stejně jako systémy navržené člověkem musí být mravenčí systémy robustní, aby se zvětšily, jak kolonie roste, a musí být schopny tolerovat selhání jednotlivých složek.

vzhledem k tomu, že velké systémy umožňují určitou nepořádek, ideální řešení využívají příspěvky každého dalšího mravence takovým způsobem, že přínos dalšího pracovníka převáží náklady na výrobu a krmení jednoho.

nástroje, které dobře slouží velkým koloniím, jsou tedy redundance a minimální informace. Obrovské mravenčí kolonie fungují pomocí velmi jednoduchých interakcí mezi bezejmennými mravenci bez jakékoli adresy.

v inženýrských systémech také hledáme způsoby, jak zajistit spolehlivé výsledky, jak naše sítě škálují, pomocí levných operací, které využívají náhodnost. Elegantní návrhy shora dolů jsou přitažlivé, ale robustnost Ant algoritmů ukazuje, že tolerování nedokonalosti někdy vede k lepším řešením.

optimalizace pro výhodu prvního tahu

rozmanitost Ant algoritmů ukazuje, jak evoluce reagovala na různá environmentální omezení. Když jsou provozní náklady nízké a kolonie hledají pomíjivou pochoutku – jako je květinový nektar nebo slupky z melounu – rychlost vyhledávání je nezbytná, pokud má kolonie zachytit cenu dříve, než vyschne nebo je odebrána.

vzhledem k tomu, že kolonie mravenců si navzájem konkurují a mnozí hledají stejné jídlo, první kolonie, která dorazí, může mít nejlepší šanci držet se jídla a udržet ostatní mravence pryč.

jak kolonie dosáhne této výhody prvního pohybu bez centrální kontroly? Úkolem v této situaci je, aby kolonie řídila tok mravenců, takže má mravence téměř všude téměř po celou dobu. Cílem je zvýšit pravděpodobnost, že nějaký mravenec bude dostatečně blízko, aby se setkal s čímkoli, co se objeví.

jednou ze strategií, kterou mravenci používají (známé z našich vlastních datových sítí), je vytvoření okruhu trvalých dálnic-jako je síť věží mobilních telefonů – ze kterých mravenci vyhledávají lokálně. Invazivní Argentinští mravenci jsou na to odborníci; najdou jakoukoli drobenku, která přistane na vaší kuchyňské lince.

Argentinští mravenci také upravují své cesty, přesouvají se z blízké náhodné procházky, když je kolem spousta mravenců, což vede každého mravence k důkladnému hledání na malé ploše, na rovnější cestu, když je kolem jen málo mravenců, což umožňuje celé skupině pokrýt více půdy.

stejně jako distribuovaná síť odezvy na poptávku, agregované reakce každého mravence na místní podmínky generují výsledek pro celý systém bez centralizovaného směru nebo kontroly.

řešení narušení bezpečnosti a katastrof

v tropech, kde jsou stovky druhů mravenců zabaleny blízko sebe a soutěží o zdroje, musí kolonie řešit bezpečnostní problémy. To vedlo k vývoji bezpečnostních protokolů, které používají místní informace pro detekci narušení a pro reakci.

jedna kolonie může použít („půjčit si“ nebo „ukrást“, jak by řekli lidé) informace od jiné, jako jsou chemické stopy nebo hustota mravenců, k nalezení a využití zdrojů.

namísto pokusu o úplné zabránění vpádům však mravenci vytvářejí volné, stochastické systémy identity, ve kterých jeden druh reguluje své chování v reakci na úroveň vpádu od druhého.

existují zřejmé paralely s počítačovou bezpečností. Začíná to být jasné (Vezměme si nedávné události!), že i my budeme muset zavést lokální hodnocení a opravu průniků, tolerovat určitou míru nedokonalosti. Mravenci našli způsoby, jak nechat své systémy reagovat na vzájemné vpády, aniž by se pokusili zřídit ústřední orgán, který reguluje hacky.

zdá se, že některé z našich sítí směřují k použití metod nasazených mravenci.

vezměte protokoly o zotavení po katastrofě mravenců, kteří píce ve stromech, kde se větve mohou zlomit, takže hrozba prasknutí je vysoká. Kruhová síť, se signály nebo mravenci proudícími v obou směrech, umožňuje rychlé zotavení zde; po přerušení toku v jednom směru může tok v opačném směru znovu vytvořit spojení.

podobně byly rané optické kabelové sítě často narušeny zemědělskými stroji a jiným kopáním: jedna přestávka by mohla snížit systém, protože by izolovala každou zátěž. Inženýři brzy zjistili, jak již mravenci udělali, že kruhové sítě vytvoří sítě, které se snadněji opravují.

***

naše sítě se budou i nadále měnit a vyvíjet. Zkoumáním a porovnáním algoritmů používaných mravenci v poušti, v tropickém lese a invazivních druhů, které navštěvují naše kuchyně, je již zřejmé, že mravenci přišli s novými řešeními, která nás mohou naučit něco o tom, jak bychom měli navrhovat naše systémy.

pomocí jednoduchých interakcí, jako je krátký dotek antén-ne na rozdíl od našich prchavých aktualizací stavu v pomíjivých sociálních sítích-kolonie vytvářejí sítě, které reagují na svět, který se neustále mění, se zdroji, které se objevují v záplatách a pak zmizí. Tyto sítě se snadno opravují a mohou růst nebo zmenšovat.

mravenčí kolonie byly používány v celé historii jako modely průmyslu, poslušnost, a moudrost. I když mravenci sami mohou být indolentní, bezohlední vůči ostatním a vyloženě hloupí, máme se z protokolů kolonií mravenců co učit. Mravenci vyvinuli způsoby spolupráce, o kterých jsme ještě nesnili.

Wired Opinion Editor: Sonal Chokshi @smc90