észrevetted már, hogy a hangya kolóniák milyen sikeresen kutatják fel és használják ki a világ erőforrásait … hogy például július 4-i piknikeken élelmet találjanak? Lehet, hogy bosszantó. De ökológusként, aki a hangyákat és a kollektív viselkedést tanulmányozza, úgy gondolom, hogy ez érdekes — különösen az a tény, hogy mindez központi irányítás nélkül történik.
ami különösen figyelemre méltó: a közeli párhuzamok a hangya kolóniák hálózatai és az ember által létrehozott hálózatok között. Az egyik példa az “Anternet”, ahol a Stanford kutatócsoportja megállapította, hogy a sivatagi hangyák által a takarmányozás szabályozására használt algoritmus olyan, mint a forgalomirányítási protokoll (TCP), amelyet az internetes adatforgalom szabályozására használnak. Mind a hangya, mind az emberi hálózatok pozitív visszacsatolást használnak: vagy a következő adatcsomag továbbítását kiváltó nyugtázásokból, vagy az élelmiszerekkel terhelt visszatérő takarmányozókból, amelyek egy másik kimenő takarmány kilépését váltják ki.
ez a kutatás arra késztette néhányat, hogy csodálják a hangyák találékonyságát, képesek feltalálni a számunkra ismerős rendszereket: wow, a hangyák évek óta használják az internetes algoritmusokat! (A Wired tavaly is kacérkodott az “anternet” fogalmával a zsargon Óraoszlopában.)
de az emberi hálózatokat utánzó rovarok viselkedése-egy másik példa a hangya-kolónia optimalizálási algoritmus által az utazó eladó problémájára nyújtott hangyaszerű megoldások-valójában nem az, ami a hangya-hálózatokban a legérdekesebb. Mi sokkal érdekesebb a párhuzamok a másik irányba: mit dolgoztak ki a hangyák, amire mi, emberek még nem gondoltunk?
amit a hangya Kolóniahálózatok elmondhatnak nekünk arról, hogy mi következik az ember által tervezett hálózatok számára
#### Deborah Gordon
##### körülbelül
Deborah M. Gordon a Stanford biológiai Tanszékének professzora. A kolóniák ökológiájának és viselkedésének vizsgálatával tanulmányozza a kollektív szervezet evolúcióját, és a Guggenheim és a Center for Advanced Study in Behavioral Sciences ösztöndíjakat kapott. Gordon két könyv szerzője,* Ants at Work * és * (http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior.
a körülbelül 130 millió év alatt, amikor a hangyák léteztek, az evolúció hangolta a hangya kolóniák algoritmusait, hogy kezeljék az egyes környezetek változékonyságát és korlátait.
a hangya kolóniák rövid interakciók dinamikus hálózatait használják a változó körülményekhez való alkalmazkodáshoz. Egyetlen hangya sem tudja, mi folyik itt. Minden hangya csak nyomon követi a közelmúltbeli tapasztalatait, amikor más hangyákkal találkozik, akár egy-egy találkozáskor, amikor a hangyák megérintik az antennákat, vagy amikor egy hangya találkozik egy másik által lerakódott vegyi anyaggal.
az ilyen hálózatok lehetővé tették több mint 11 000 hangyafaj fenomenális sokféleségét és bőségét a Föld minden elképzelhető élőhelyén. Tehát az Anternetnek és más hangyahálózatoknak sokat kell tanítaniuk nekünk. Az Ant protokollok javasolhatják a saját információs hálózataink kiépítésének módjait…
a magas üzemeltetési költségek kezelése
a sivatagban lévő Arató hangya kolóniáknak vizet kell költeniük, hogy vizet kapjanak. A hangyák elveszítik a vizet, amikor a forró napon táplálkoznak, és a vizet az általuk gyűjtött magokból metabolizálják. Mivel a kolóniák magokat tárolnak, a pozitív visszacsatolás rendszere nem pazarolja a takarmányozási erőfeszítéseket, ha a vízköltségek magasak-még akkor is, ha ez azt jelenti, hogy néhány magot “az asztalon” (vagy inkább a földön) hagynak, hogy egy másik, párásabb napon nyerjenek.
ily módon az Anternet lehetővé teszi a kolónia számára a magas működési költségek kezelését. Az interneten a TCP protokoll azt is megakadályozza, hogy a rendszer adatokat küldjön az interneten, ha nincs elérhető sávszélesség. Az erőfeszítés hiábavaló lenne, ha az üzenet elvész, ezért nem érdemes elküldeni, hacsak nem biztos, hogy eléri a rendeltetési helyét.
újabban megmutattam, hogy a természetes szelekció jelenleg optimalizálja az Anternet algoritmust. 300 aratóhangya-kolóniát követtem több mint 25 éve, és genetikai ujjlenyomatok segítségével rájöttünk, melyik kolóniának volt több utódkolóniája.
a telepek túlélési taktikaként tárolják az ételt a fészekben. Különösen forró napokon azok a telepek, amelyek valószínűleg alacsonyan fekszenek ahelyett, hogy több ételt gyűjtenének, azok, amelyeknek több utódtelepe van 25 éves élettartama alatt. __restraint _ _ ezért a legjobb stratégia a kolónia szintjén. A sivatagban a hosszú életű kolóniák nem az élelmiszer-bevitel maximalizálása vagy optimalizálása érdekében szabályozzák viselkedésüket, hanem az erőforrások pazarlása nélkül.
a szűkösséggel szemben a hangyák áramlását szabályozó algoritmus az azonnali felhalmozódás helyett a működési költségek minimalizálása felé fejlődik. Ez egy fenntartható stratégia minden rendszer számára, mint például egy sivatagi hangya kolónia vagy a mobil internet, ahol elengedhetetlen a hosszú távú megbízhatóság elérése, miközben elkerüljük az elpazarolt erőfeszítéseket.
>körülbelül 130 millió év alatt, amikor a hangyák körül voltak, az evolúció hangolta a hangya kolónia algoritmusait.
méretezés kis rendszerekről nagy rendszerekre
mi történik, ha egy rendszer felértékelődik? Az ember által tervezett rendszerekhez hasonlóan a hangyarendszereknek is robusztusaknak kell lenniük ahhoz, hogy a kolónia növekedésével növekedjenek, és képesnek kell lenniük elviselni az egyes komponensek meghibásodását.
mivel a nagy rendszerek némi rendetlenséget tesznek lehetővé, az ideális megoldások minden további hangya hozzájárulását oly módon használják fel, hogy egy extra munkás előnye meghaladja az egyik előállításának és etetésének költségeit.
a nagy kolóniákat jól kiszolgáló eszközök tehát a redundancia és a minimális információ. A hatalmas hangya kolóniák nagyon egyszerű interakciókat használnak a névtelen hangyák között, cím nélkül.
a mérnöki rendszerekben mi is keressük a megbízható eredmények biztosításának módjait, mint a hálózatunk mérete, olcsó műveletek használatával, amelyek a véletlenszerűséget használják. Az elegáns felülről lefelé irányuló tervek vonzóak, de az ant algoritmusok robusztussága azt mutatja, hogy a tökéletlenség tolerálása néha jobb megoldásokhoz vezet.
az ant algoritmusok sokfélesége megmutatja, hogy az evolúció hogyan reagált a különböző környezeti korlátokra. Ha a működési költségek alacsonyak, és a kolóniák mulandó finomságot keresnek – mint a virágnektár vagy a görögdinnye héja -, akkor a keresési sebesség elengedhetetlen, ha a kolóniának el kell ragadnia a díjat, mielőtt kiszáradna vagy elvennék.
mivel a hangya kolóniák versenyeznek egymással, és sokan ugyanazt az ételt keresik, az első kolóniának lehet a legnagyobb esélye arra, hogy megtartsa az ételt és távol tartsa a többi hangyát.
hogyan érheti el egy kolónia ezt az első mozgató előnyt központi vezérlés nélkül? A kihívás ebben a helyzetben az, hogy a kolónia kezelje a hangyák áramlását, így szinte mindenhol szinte állandóan hangya van. A cél az, hogy növelje annak valószínűségét, hogy néhány hangya elég közel lesz ahhoz, hogy találkozzon bármivel, ami megjelenik.
az egyik stratégia, amelyet a hangyák használnak (a saját adathálózatainkból ismerősek), az állandó autópályák-például mobiltelefon-tornyok hálózata-áramkörének létrehozása, ahonnan a hangyák helyben keresnek. Az invazív Argentin hangyák szakértők ebben; találnak minden morzsát, amely a konyhapultra kerül.
az argentin hangyák is igazítják útjukat, elmozdulva egy közeli véletlenszerű sétáról, amikor sok hangya van a környéken, minden hangyát arra késztetve, hogy alaposan keressen egy kis területen, egy egyenesebb ösvényre, amikor kevés hangya van a környéken, így az egész csoport több talajt fedhet le.
mint egy elosztott igény-válasz hálózat, az egyes hangyák összesített válaszai a helyi viszonyokra generálják az eredményt az egész rendszer számára, központosított irányítás vagy ellenőrzés nélkül.
>a szűkösséggel szemben a hangyák áramlását szabályozó algoritmus az azonnali felhalmozódás helyett a működési költségek minimalizálása felé fejlődik.
biztonsági incidensek és katasztrófák kezelése
a trópusokon, ahol hangyafajok százai zsúfolódnak össze és versengenek az erőforrásokért, a kolóniáknak meg kell küzdeniük a biztonsági problémákkal. Ez vezetett a biztonsági protokollok fejlődéséhez, amelyek helyi információkat használnak a behatolás észlelésére és a válaszadásra.
az egyik kolónia felhasználhatja (“kölcsönözhet” vagy “lophat”, ahogy az emberek mondanák) egy másiktól származó információkat, például kémiai nyomokat vagy a hangyák sűrűségét, hogy erőforrásokat találjon és használjon.
ahelyett, hogy megpróbálnák teljesen megakadályozni a behatolásokat, a hangyák laza, sztochasztikus identitásrendszereket hoznak létre, amelyekben az egyik faj szabályozza viselkedését a másik behatolásának szintjére reagálva.
nyilvánvaló párhuzamok vannak a számítógépes biztonsággal. Világossá válik (fontolja meg a közelmúlt eseményeit!), hogy nekünk is meg kell valósítanunk a behatolások helyi értékelését és kijavítását, tolerálva a tökéletlenség bizonyos szintjét. A hangyák megtalálták a módját, hogy rendszereik reagáljanak egymás behatolására, anélkül, hogy megpróbálnának felállítani egy központi hatóságot, amely szabályozza a hackeket.
>a hangyák olyan biztonsági protokollokat fejlesztettek ki, amelyek helyi információkat használnak a behatolás észlelésére és a válaszadásra.
néhány hálózatunk úgy tűnik, hogy a hangyák által alkalmazott módszerek felé halad.
Vegyük a hangyák katasztrófa-helyreállítási protokolljait, amelyek olyan fákban táplálkoznak, ahol az ágak eltörhetnek, így a repedés veszélye magas. A gyűrűs hálózat, mindkét irányban áramló jelekkel vagy hangyákkal, itt lehetővé teszi a gyors helyreállítást; az áramlás egyik irányú megszakadása után a másik irányú áramlás helyreállíthatja a kapcsolatot.
Hasonlóképpen, a korai száloptikai kábelhálózatok gyakran megszakadtak a mezőgazdasági gépek és más ásások miatt: egy törés tönkreteheti a rendszert, mert minden terhelést elkülönít. A mérnökök hamarosan felfedezték, ahogy a hangyák már megtették, hogy a gyűrűs hálózatok könnyebben javítható hálózatokat hoznak létre.
***
hálózataink folyamatosan változnak és fejlődnek. Ha megvizsgáljuk és összehasonlítjuk a hangyák által használt algoritmusokat a sivatagban, a trópusi erdőben, és az invazív fajokat, amelyek ellátogatnak a konyhánkba, máris nyilvánvaló, hogy a hangyák új megoldásokkal álltak elő, amelyek megtaníthatnak nekünk valamit arról, hogyan kell megterveznünk a rendszereinket.
az egyszerű interakciók, mint például az antennák rövid érintése-ellentétben a mulandó Állapotfrissítésekkel a mulandó közösségi hálózatokban-a kolóniák olyan hálózatokat hoznak létre, amelyek reagálnak a folyamatosan változó világra, olyan erőforrásokkal, amelyek foltokban jelennek meg, majd eltűnnek. Ezek a hálózatok könnyen javíthatók, növekedhetnek vagy zsugorodhatnak.
a hangya kolóniákat a történelem során az ipar, az engedelmesség és a bölcsesség modelljeiként használták. Bár maguk a hangyák is lehetnek tétlenek, figyelmetlenek másokkal szemben, és egyenesen ostobák, sokat kell tanulnunk a hangya kolónia protokolljaiból. A hangyák olyan módszereket fejlesztettek ki az együttműködésre, amelyekről még nem is álmodtunk.
Vezetékes Véleményszerkesztő: Sonal Chokshi @smc90