Hvad ved myrer, at vi ikke't?

har du nogensinde lagt mærke til, hvordan myrekolonier så succesfuldt udforsker og udnytter ressourcer i verden … for at finde mad på 4. juli picnics, for eksempel? Du kan finde det irriterende. Men som økolog, der studerer myrer og kollektiv adfærd, synes jeg det er spændende-især det faktum, at det hele er gjort uden nogen central kontrol.

hvad er særligt bemærkelsesværdigt: de tætte paralleller mellem myrkoloniernes netværk og menneskeskabte. Et eksempel er” Anternet”, hvor vi, en gruppe forskere ved Stanford, fandt ud af, at algoritmen, som ørkenmyrer bruger til at regulere foder, er som Traffic Control Protocol (TCP), der bruges til at regulere datatrafik på internettet. Både ant-og menneskelige netværk bruger positiv feedback: enten fra anerkendelser, der udløser transmission af den næste datapakke, eller fra madbelastede tilbagevendende foderstoffer, der udløser udgangen fra en anden udgående foder.

denne forskning fik nogle til at undre sig over myrens opfindsomhed, i stand til at opfinde systemer, der er velkendte for os: myrer har brugt internetalgoritmer i millioner af år! (Kablet flirtede også med begrebet” anternet ” i sin jargonurkolonne sidste år.)

men insektadfærd, der efterligner menneskelige netværk-et andet eksempel er de myrlignende løsninger på det rejsende sælgerproblem, der leveres af myrekolonioptimeringsalgoritmen-er faktisk ikke det, der er mest interessant ved myrenetværk. Hvad er langt mere interessant er parallellerne i den anden retning: Hvad har myrerne udarbejdet, som vi mennesker ikke har tænkt på endnu?

hvad Ant koloni netværk kan fortælle os om, hvad der er næste for Human-manipuleret dem

i løbet af de 130 millioner år eller deromkring, som myrer har eksisteret, har evolution indstillet myrkolonialgoritmer til at håndtere variabiliteten og begrænsningerne i specifikke miljøer.

myrkolonier bruger dynamiske netværk af korte interaktioner til at tilpasse sig skiftende forhold. Ingen myre ved, hvad der foregår. Hver myre holder bare styr på sin nylige oplevelse med at møde andre myrer, enten i en-til-en-møder, når myrer rører ved antenner, eller når en myre støder på et kemikalie deponeret af en anden.

sådanne netværk har muliggjort den fænomenale mangfoldighed og overflod af mere end 11.000 myrearter i alle tænkelige levesteder på jorden. Så Anternet og andre myrenetværk har meget at lære os. Myreprotokoller kan foreslå måder at opbygge vores egne informationsnetværk på…

beskæftiger sig med høje driftsomkostninger

Harvester ant kolonier i ørkenen skal bruge vand for at få vand. Myrerne mister vand, når de foder i den varme sol, og får deres vand ved at metabolisere det ud af de frø, de samler. Da kolonier opbevarer frø, spilder deres system med positiv feedback ikke foderindsats, når vandomkostningerne er høje-selvom det betyder, at de efterlader nogle frø “på bordet” (eller rettere sagt jorden), der skal opnås på en anden, mere fugtig dag.

på denne måde tillader Anternet kolonien at håndtere høje driftsomkostninger. På internettet forhindrer TCP-protokollen også systemet i at sende data ud på internettet, når der ikke er nogen båndbredde tilgængelig. Indsats ville være spildt, hvis meddelelsen går tabt, så det er ikke værd at sende det ud, medmindre det er sikkert at nå sin destination.

for nylig har jeg vist, hvordan natural selection i øjeblikket optimerer Anternet-algoritmen. Jeg har fulgt en befolkning på 300 høstmyrkolonier i mere end 25 år, og ved at bruge genetisk fingeraftryk fandt vi ud af, hvilke kolonier der havde flere afkom kolonier.

kolonier opbevarer mad inde i reden som en overlevelsestaktik. På særligt varme dage er kolonier, der sandsynligvis vil lægge lavt i stedet for at samle mere mad, dem, der har flere afkomskolonier i løbet af deres 25-årige levetid. __Restraint _ _ fremstår derfor som den bedste strategi på koloniniveau. Langlivede kolonier i ørkenen regulerer deres adfærd for ikke at maksimere eller optimere fødeindtagelse, men i stedet for at fortsætte uden at spilde ressourcer.

i lyset af knaphed Udvikler algoritmen, der regulerer strømmen af myrer, sig mod at minimere driftsomkostninger snarere end øjeblikkelig akkumulering. Dette er en bæredygtig strategi for ethvert system, som en ørkenmyrkoloni eller det mobile internet, hvor det er vigtigt at opnå langsigtet pålidelighed og samtidig undgå spildt indsats.

skalering fra små til store systemer

Hvad sker der, når et system skaleres op? Ligesom menneskelige konstruerede systemer skal myresystemer være robuste til at skalere op, når kolonien vokser, og de skal være i stand til at tolerere svigt i individuelle komponenter.

da store systemer giver mulighed for noget rod, udnytter de ideelle løsninger bidragene fra hver ekstra myre på en sådan måde, at fordelen ved en ekstra arbejdstager opvejer omkostningerne ved at producere og fodre en.

de værktøjer, der tjener store kolonier godt, er derfor redundans og minimal information. Enorme myrkolonier fungerer ved hjælp af meget enkle interaktioner mellem navnløse myrer uden nogen adresse.

i konstruerede systemer søger vi også efter måder at sikre pålidelige resultater, som vores netværk skalerer, ved at bruge billige operationer, der gør brug af tilfældighed. Elegante top-ned design er tiltalende, men robustheden af ant algoritmer viser, at tolerere ufuldkommenhed nogle gange fører til bedre løsninger.

Optimering til First-Mover Advantage

mangfoldigheden af ant algoritmer viser, hvordan evolution har reageret på forskellige miljømæssige begrænsninger. Når driftsomkostningerne er lave, og kolonier Søger en flygtig delikatesse-som blomsternektar eller vandmelonskaller-er søgehastighed afgørende, hvis kolonien skal fange prisen, før den tørrer op eller tages væk.

da myrekolonier konkurrerer med hinanden, og mange er ude på udkig efter den samme mad, kan den første koloni, der ankommer, have den bedste chance for at holde fast i maden og holde de andre myrer væk.

Hvordan opnår en koloni denne first-mover-fordel uden nogen central kontrol? Udfordringen i denne situation er, at kolonien styrer strømmen af myrer, så den har en myre næsten overalt næsten hele tiden. Målet er at øge sandsynligheden for, at nogle myrer vil være tæt nok til at støde på, hvad der sker for at dukke op.

en strategi myrer bruger (kendt fra vores egne datanetværk) er at oprette et kredsløb af permanente motorveje-som et netværk af mobiltelefontårne-hvorfra myrer søger lokalt. De invasive argentinske myrer er eksperter på dette; de finder enhver krumme, der lander på din køkkenbord.

de argentinske myrer justerer også deres stier og skifter fra en tæt på tilfældig gåtur, når der er masser af myrer rundt, hvilket fører hver myre til at søge grundigt i et lille område til en lige sti, når der er få myrer rundt, hvilket gør det muligt for hele gruppen at dække mere jord.

ligesom et distribueret efterspørgselsresponsnetværk genererer de samlede svar fra hver ant til lokale forhold resultatet for hele systemet uden nogen centraliseret retning eller kontrol.

håndtering af sikkerhedsbrud og katastrofer

i troperne, hvor hundreder af myrearter er pakket tæt sammen og konkurrerer om ressourcer, skal kolonier håndtere sikkerhedsproblemer. Dette har ført til udviklingen af sikkerhedsprotokoller, der bruger lokal information til detektering af indtrængen og til respons.

en koloni kan bruge (“låne” eller “stjæle”, som mennesker ville sige) information fra en anden, såsom kemiske stier eller myrens tæthed, til at finde og bruge ressourcer.

i stedet for at forsøge at forhindre indtrængen fuldstændigt, skaber myrer imidlertid løse, stokastiske identitetssystemer, hvor en art regulerer sin adfærd som reaktion på niveauet for indtrængen fra en anden.

der er åbenlyse paralleller med computersikkerhed. Det bliver klart (overvej de seneste begivenheder!) at vi også bliver nødt til at gennemføre lokal evaluering og reparation af indtrængen og tolerere et vist niveau af ufuldkommenhed. Myrerne har fundet måder at lade deres systemer reagere på hinandens angreb uden at forsøge at oprette en central myndighed, der regulerer hacks.

nogle af vores netværk synes at bevæge sig mod at bruge metoder, der anvendes af myrerne.

Tag katastrofegendannelsesprotokollerne for myrer, der foder i træer, hvor grene kan bryde, så truslen om brud er høj. Et ringnetværk med signaler eller myrer, der flyder i begge retninger, muliggør hurtig genopretning her; efter en pause i strømmen i den ene retning kan strømmen i den anden retning genoprette et link.

Tilsvarende blev tidlige fiberoptiske Kabelnetværk ofte forstyrret af landbrugsmaskiner og anden grave: en pause kunne bringe systemet ned, fordi det ville isolere hver belastning. Ingeniører opdagede snart, som myrer allerede har gjort, at ringnetværk ville skabe netværk, der er lettere at reparere.

***

vores netværk vil fortsætte med at ændre sig og udvikle sig. Ved at undersøge og sammenligne de algoritmer, der bruges af myrer i ørkenen, i den tropiske skov og de invasive arter, der besøger vores køkkener, er det allerede indlysende, at myrerne er kommet med nye løsninger, der kan lære os noget om, hvordan vi skal konstruere vores systemer.

brug af enkle interaktioner som det korte strejf af antenner-ikke i modsætning til vores Flygtige statusopdateringer i Flygtige sociale netværk-kolonier skaber netværk, der reagerer på en verden, der konstant ændrer sig, med ressourcer, der vises i programrettelser og derefter forsvinder. Disse netværk er nemme at reparere og kan vokse eller krympe.

Myrekolonier er blevet brugt gennem historien som modeller for industri, lydighed og visdom. Selvom myrerne selv kan være indolente, hensynsløse over for andre og ligefrem dumme, har vi meget at lære af myrkoloniprotokoller. Myrerne har udviklet måder at arbejde sammen på, som vi endnu ikke har drømt om.

kablet Meningsredaktør: Sonal Chokshi @smc90