Oletko koskaan huomannut, miten muurahaisyhdyskunnat niin menestyksekkäästi tutkivat ja hyödyntävät maailman luonnonvaroja … löytääkseen ruokaa esimerkiksi 4. heinäkuuta piknikillä? Saatat pitää sitä ärsyttävänä. Mutta ekologina, joka tutkii muurahaisia ja kollektiivista käyttäytymistä, minusta se on kiehtovaa — varsinkin se, että kaikki tehdään ilman mitään keskusvalvontaa.
mikä on erityisen merkittävää: muurahaisyhdyskuntien verkostojen ja ihmisen rakentamien verkkojen läheiset rinnakkaisuudet. Yksi esimerkki on ”Anternet”, jossa me, ryhmä tutkijoita Stanfordin, totesi, että algoritmi aavikon muurahaiset käyttävät säännellä ravinnon on kuin Traffic Control Protocol (TCP) käytetään säätelemään tietoliikennettä internetissä. Sekä muurahais-että ihmisverkot käyttävät positiivista palautetta: joko kuittauksista, jotka käynnistävät seuraavan tietopaketin siirron, tai ruokatäytteisistä palaavista kerääjistä, jotka laukaisevat toisen lähtevän kerääjän poistumisen.
tämä tutkimus sai jotkut ihmettelemään muurahaisten nerokkuutta, jotka kykenevät keksimään meille tuttuja järjestelmiä: Vau, muurahaiset ovat käyttäneet Internetin algoritmeja miljoonia vuosia! (Wired, liian, flirttaili käsite ”anternet” sen ammattikieltä katsella palstalla viime vuonna.)
mutta hyönteisten käyttäytyminen, joka jäljittelee ihmisverkostoja — toinen esimerkki ovat muurahaisen kaltaiset ratkaisut Kauppamatkustajan ongelmaan, jonka muurahaissiirtokunnan Optimointialgoritmi tarjoaa — ei itse asiassa ole se, mikä muurahaisverkoissa on kiinnostavinta. Mikä on paljon mielenkiintoisempaa ovat rinnastukset toiseen suuntaan: mitä muurahaiset ovat tehneet, mitä me ihmiset emme ole vielä ajatelleet?
mitä Muurahaisyhdyskuntien verkostot voivat kertoa siitä, mitä seuraavaksi ihmisen rakentamat
#### Deborah Gordon
##### noin
Deborah M. Gordon on Stanfordin biologian laitoksen professori. Hän tutkii kollektiivisen organisaation evoluutiota tutkimalla muurahaisyhdyskuntien ekologiaa ja käyttäytymistä, ja hänelle on myönnetty apurahoja Guggenheimista ja Center for Advanced Study in Behavioral Sciences-keskuksesta. Gordon on kirjoittanut kaksi kirjaa, * Ants At Work* ja *(http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior*.
niiden 130 miljoonan vuoden aikana, jotka muurahaisia on ollut olemassa, evoluutio on virittänyt muurahaispesäalgoritmeja käsittelemään tiettyjen ympäristöjen asettamia vaihteluita ja rajoitteita.
Muurahaisyhdyskunnat käyttävät muuttuviin olosuhteisiin sopeutumiseen lyhyiden vuorovaikutusten dynaamisia verkostoja. Yksikään yksittäinen muurahainen ei tiedä, mistä on kyse. Jokainen muurahainen vain pitää kirjaa viimeaikaisista kokemuksistaan tavata muita muurahaisia, joko kahdenkeskisissä kohtaamisissa, kun muurahaiset koskettavat antenneja, tai kun muurahainen kohtaa kemikaalin, jonka toinen on tallettanut.
tällaiset verkostot ovat mahdollistaneet yli 11 000 muurahaislajin ilmiömäisen monimuotoisuuden ja runsauden jokaisessa ajateltavissa olevassa elinympäristössä maapallolla. Joten Anternet, ja muut muurahaisverkot, on paljon opetettavaa meille. Ant-protokollat saattavat ehdottaa tapoja rakentaa omia tietoverkkoja…
kun käsitellään korkeita käyttökustannuksia
Sadonkorjuuantilaiskunnat autiomaassa joutuvat käyttämään vettä saadakseen vettä. Muurahaiset menettävät vettä etsiessään ravintoa kuumassa auringossa ja saavat vetensä hajottamalla sen keräämistään siemenistä. Koska pesäkkeet varastoivat siemeniä, niiden myönteisen palautteen järjestelmä ei tuhlaa ravinnonhankintatyötä, kun vesikustannukset ovat korkeat-vaikka se tarkoittaisi, että ne jättävät joitakin siemeniä ”pöydälle” (tai pikemminkin maahan) hankittavaksi toisena, kosteampana päivänä.
näin Anternet mahdollistaa siirtokunnan korkeiden käyttökustannusten hoitamisen. Internetissä TCP-protokolla myös estää järjestelmää lähettämästä dataa Internetiin, kun kaistanleveyttä ei ole saatavilla. Vaiva menisi hukkaan, jos viesti katoaa, joten sitä ei kannata lähettää, ellei se varmasti saavu perille.
viime aikoina olen osoittanut, miten luonnonvalinta optimoi tällä hetkellä Anternet-algoritmia. Olen seurannut 300: aa elonkorjuumuurahaisyhdyskuntaa yli 25 vuotta, ja geneettisten sormenjälkien avulla selvitimme, missä pesäkkeissä oli enemmän jälkeläisiä.
yhdyskunnat varastoivat ravintoa pesän sisälle selviytymistaktiikkana. Erityisen kuumina päivinä yhdyskunnat, jotka todennäköisesti pitävät matalaa profiilia sen sijaan, että keräisivät enemmän ravintoa, ovat niitä, joilla on enemmän poikasyhdyskuntia yli 25-vuotisen elinaikansa aikana. __Restraint _ _ on näin ollen paras strategia yhdyskuntatasolla. Pitkäikäiset siirtomaat aavikolla säätelevät käyttäytymistään, ei maksimoidakseen tai optimoidakseen ravinnonsaantia, vaan jatkaakseen voimavaroja tuhlaamatta.
niukkuuden edessä muurahaisvirtaa säätelevä algoritmi kehittyy kohti käyttökustannusten minimointia välittömän kertymisen sijaan. Tämä on kestävä strategia mille tahansa järjestelmälle, kuten aavikon muurahaissiirtokunnalle tai mobiilille Internetille, jossa on tärkeää saavuttaa pitkän aikavälin luotettavuus ja välttää turhaa työtä.
>niiden noin 130 miljoonan vuoden aikana, jotka muurahaisia on ollut olemassa, evoluutio on virittänyt muurahaisyhdyskunnan algoritmeja.
skaalautuminen pienestä suureen
mitä tapahtuu, kun järjestelmä skaalautuu ylöspäin? Ihmisen muokkaamien järjestelmien tavoin muurahaisjärjestelmien on oltava kestäviä, jotta ne voivat skaalautua yhdyskunnan kasvaessa, ja niiden on pystyttävä sietämään yksittäisten komponenttien vikaantumista.
koska suuret järjestelmät mahdollistavat jonkin verran sotkuisuutta, ihanteelliset ratkaisut hyödyntävät jokaisen ylimääräisen muurahaisen panoksen siten, että ylimääräisen työntekijän hyöty on suurempi kuin yhden tuottamisesta ja ruokkimisesta aiheutuvat kustannukset.
suuria siirtokuntia hyvin palvelevat työkalut ovat siis redundanssi ja Vähäinen informaatio. Valtavat muurahaispesäkkeet toimivat hyvin yksinkertaisilla vuorovaikutuksilla nimettömien muurahaisten kesken ilman osoitetta.
rakennetuissa järjestelmissä mekin etsimme keinoja varmistaa luotettavat tulokset verkostojemme laajetessa käyttämällä halpoja toimintoja, jotka hyödyntävät satunnaisuutta. Elegantit ylhäältä alas-mallit ovat houkuttelevia, mutta muurahaisalgoritmien vankkuus osoittaa, että epätäydellisyyden sietäminen johtaa joskus parempiin ratkaisuihin.
optimointi ensimmäisen liikuttajan eduksi
muurahaisalgoritmien moninaisuus osoittaa, miten evoluutio on reagoinut erilaisiin ympäristörajoituksiin. Kun käyttökustannukset ovat alhaiset ja pesäkkeet etsivät hetkellistä herkkua-kuten kukkanektaria tai vesimelonikyyhkyä-etsinnän nopeus on välttämätöntä, jos yhdyskunta aikoo napata palkinnon ennen kuin se kuivuu tai viedään pois.
koska muurahaisyhdyskunnat kilpailevat keskenään ja monet ovat etsimässä samaa ravintoa, ensimmäisenä paikalle saapuneella yhdyskunnalla saattaa olla parhaat mahdollisuudet pitää ruuasta kiinni ja pitää muut muurahaiset loitolla.
miten siirtokunta saavuttaa tämän ykkösmuuttajan edun ilman mitään keskusvalvontaa? Haasteena tässä tilanteessa on, että siirtokunta hallitsee muurahaisten virtausta, joten sillä on muurahainen lähes kaikkialla lähes koko ajan. Tavoitteena on lisätä todennäköisyyttä, että jokin muurahainen on tarpeeksi lähellä kohdatakseen mitä tahansa tapahtuukin.
yksi muurahaisten käyttämä strategia (tuttu omista tietoverkoistamme) on perustaa pysyvien valtateiden piiri — kuten matkapuhelinmastojen verkko — josta muurahaiset etsivät paikallisesti. Invasiiviset argentiinalaiset muurahaiset ovat asiantuntijoita tässä; he löytävät minkä tahansa murun, joka laskeutuu keittiön tiskille.
Argentiinanmuurahaiset myös säätelevät polkujaan ja siirtyvät lähes satunnaisesta kävelemisestä, kun ympärillä on paljon muurahaisia, mikä johtaa siihen, että kukin muurahainen etsii perusteellisesti pienellä alueella, suoremmalle polulle, kun muurahaisia on vähän ympärillä, jolloin koko ryhmä voi peittää enemmän maata.
hajautetun kysyntäjoustoverkoston tavoin kunkin muurahaisen yhteenlasketut vastaukset paikallisiin olosuhteisiin tuottavat lopputuloksen koko järjestelmälle ilman keskitettyä ohjausta tai valvontaa.
>niukkuuden edessä muurahaisvirtaa säätelevä algoritmi kehittyy kohti käyttökustannusten minimointia välittömän kertymisen sijaan.
turvallisuusrikkomusten ja katastrofien korjaaminen
tropiikissa, jossa sadat muurahaislajit pakkautuvat lähekkäin ja kilpailevat resursseista, siirtokuntien on ratkaistava turvallisuusongelmia. Tämä on johtanut turvallisuusprotokollien kehittymiseen, jotka käyttävät paikallista tietoa tunkeutumisen havaitsemiseen ja vastaamiseen.
yksi yhdyskunta saattaa käyttää (”lainata ”tai” varastaa”, kuten ihmiset sanoisivat) toiselta saatua tietoa, kuten kemikaalireittejä tai muurahaisten tiheyttä, löytääkseen ja käyttääkseen resursseja.
sen sijaan, että muurahaiset yrittäisivät estää hyökkäykset kokonaan, ne luovat löyhiä, stokastisia identiteettijärjestelmiä, joissa yksi laji säätelee käyttäytymistään vastauksena toisen lajin hyökkäyksiin.
tietokoneen tietoturvalla on selviä yhtäläisyyksiä. Se on tulossa selväksi (harkitse viimeaikaisia tapahtumia!) että meidänkin on toteutettava paikallinen arviointi ja korjattava tunkeutumiset, siedettävä jonkinasteista epätäydellisyyttä. Muurahaiset ovat keksineet tapoja antaa järjestelmiensä vastata toistensa hyökkäyksiin yrittämättä perustaa hakkerointia sääntelevää keskusviranomaista.
>muurahaiset ovat kehittäneet turvallisuusprotokollia, jotka käyttävät paikallista tietoa tunkeutumisen havaitsemiseen ja vastaamiseen.
osa verkostoistamme näyttää etenevän kohti muurahaisten käyttämiä menetelmiä.
otetaan muurahaisten palautumisprotokollat, jotka ruokailevat puissa, joissa oksat voivat katketa, joten repeämisen uhka on suuri. Rengasverkosto, jossa signaalit tai muurahaiset virtaavat molempiin suuntiin, mahdollistaa nopean elpymisen tässä; kun virtaus on katkennut yhteen suuntaan, virtaus toiseen suuntaan voi palauttaa yhteyden.
samoin varhaisia valokaapeliverkkoja häirittiin usein maatalouskoneilla ja muulla kaivamisella: yksi katkos saattoi kaataa järjestelmän, koska se eristi jokaisen kuorman. Insinöörit huomasivat pian, kuten muurahaiset ovat jo tehneet, että rengasverkot loisivat verkkoja, joita on helpompi korjata.
***
verkostomme muuttuvat ja kehittyvät jatkossakin. Tutkimalla ja vertaamalla algoritmeja, joita muurahaiset käyttävät aavikolla, trooppisessa metsässä, ja vieraslajeja, jotka vierailevat keittiöissämme, on jo selvää, että muurahaiset ovat keksineet uusia ratkaisuja, jotka voivat opettaa meille jotain siitä, miten meidän pitäisi suunnitella järjestelmämme.
käyttämällä yksinkertaisia vuorovaikutuksia, kuten tuntosarvien lyhyttä kosketusta — toisin kuin ohikiitävät tilannepäivityksemme hetkellisissä sosiaalisissa verkostoissa — siirtokunnat tekevät verkostoja, jotka reagoivat maailmaan, joka muuttuu jatkuvasti, resursseineen, jotka näkyvät laastareina ja sitten katoavat. Näitä verkkoja on helppo korjata ja ne voivat kasvaa tai kutistua.
Muurahaisyhdyskuntia on kautta historian käytetty teollisuuden, tottelevaisuuden ja viisauden malleina. Vaikka muurahaiset itse voivat olla välinpitämättömiä, ajattelemattomia muita kohtaan ja suorastaan tyhmiä, meillä on paljon opittavaa muurahaissiirtokuntien protokollista. Muurahaiset ovat kehittäneet tapoja työskennellä yhdessä, joista emme ole vielä uneksineet.
Wired Opinion Editor: Sonal Chokshi @smc90