Har du noen gang lagt merke til hvordan maurkolonier så vellykket utforsker og utnytter ressurser i verden … for å finne mat på 4. juli piknik, for eksempel? Du kan finne det irriterende. Men som en økolog som studerer maur og kollektiv oppførsel, tror jeg det er spennende-spesielt det faktum at det er gjort uten sentral kontroll.
hva er spesielt bemerkelsesverdig: de nære parallellene mellom maurkoloniens nettverk og menneskeskapte. Et eksempel er «Anternet», hvor Vi, en gruppe forskere ved Stanford, fant at algoritmen ørkenmyrer bruker til å regulere foraging, er Som Traffic Control Protocol (TCP) som brukes til å regulere datatrafikk på internett. Både ant og menneskelige nettverk bruker positiv tilbakemelding: enten fra bekreftelser som utløser overføringen av neste datapakke, eller fra matbelastede return foragers som utløser utgangen av en annen utgående forager.
denne forskningen førte noen til å beundre myrens oppfinnsomhet, i stand til å oppfinne systemer som er kjent for oss: wow, maur har brukt internett algoritmer for millioner av år! (Wired, også, flørtet med begrepet «anternet» i Sin Sjargong watch kolonne i fjor.)
men insektadferd som etterligner menneskelige nettverk – et annet eksempel er de maurlignende løsningene på det reisende salgsproblemet som tilbys av ant colony optimaliseringsalgoritmen-er faktisk ikke det som er mest interessant om maurnettverk. Hva er langt mer interessant er parallellene i den andre retningen: Hva har myrene utarbeidet som vi mennesker ikke har tenkt på ennå?
Hvilke Maurkolonnenettverk Kan Fortelle Oss Om Hva Som Er Neste For Menneskeskapte
#### Deborah Gordon
##### Om
Deborah M. Gordon Er Professor I Institutt For Biologi Ved Stanford. Hun studerer utviklingen av kollektiv organisasjon ved å undersøke økologi og oppførsel av maurkolonier, og har blitt tildelt stipend fra Guggenheim og Senter for Avansert Studie I Atferdsvitenskap. Gordon er forfatter av To bøker, *Ants at Work * og * (http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaksjonsnettverk og Koloniadferd*.
i løpet av de 130 millioner årene som maur har eksistert, har evolusjonen innstilt maurkolonialgoritmer for å håndtere variabiliteten og begrensningene som er satt av bestemte miljøer.
Maurkolonier bruker dynamiske nettverk av korte interaksjoner for å tilpasse seg endrede forhold. Ingen enkelt maur vet hva som skjer. Hver maur holder bare styr på sin siste erfaring med å møte andre maur, enten i en-mot-en møter når maur berører antenner, eller når en maur møter et kjemikalie deponert av en annen.
Slike nettverk har muliggjort det fenomenale mangfoldet og overfloden av mer enn 11 000 maurarter i alle tenkelige habitat på Jorden. Så Anternet, og andre maur nettverk, har mye å lære oss. Ant protokoller kan foreslå måter å bygge våre egne informasjonsnettverk…
Håndtere Høye Driftskostnader
Harvester maur kolonier i ørkenen må bruke vann for å få vann. Myrene mister vann når de spiser i den varme solen, og får vannet ved å metabolisere det ut av frøene de samler inn. Siden kolonier lagrer frø, slipper deres system med positiv tilbakemelding ikke foraging innsats når vannkostnadene er høye-selv om det betyr at de forlater noen frø «på bordet» ( eller rettere, bakken) som skal oppnås på en annen, mer fuktig dag.
På denne måten Tillater Anternet kolonien å håndtere høye driftskostnader. PÅ internett forhindrer tcp-protokollen også at systemet sender data ut på internett når det ikke er båndbredde tilgjengelig. Innsats ville være bortkastet hvis meldingen går tapt, så det er ikke verdt å sende det ut med mindre det er sikkert å nå målet.
Mer nylig har jeg vist hvordan naturlig utvalg for tiden optimaliserer Anternet-algoritmen. Jeg har fulgt en befolkning på 300 harvester myrkolonier i mer enn 25 år, og ved å bruke genetisk fingeravtrykk fant vi ut hvilke kolonier som hadde flere avkomskolonier.
Kolonier lagrer mat inne i reiret som en overlevelsestaktikk. På spesielt varme dager er kolonier som sannsynligvis vil ligge lavt i stedet for å samle mer mat, de som har flere avkomskolonier over deres 25-årige levetid. __Restraint _ _ fremstår derfor som den beste strategien på koloninivå. Langlivede kolonier i ørkenen regulerer deres oppførsel for ikke å maksimere eller optimalisere matinntaket, men i stedet for å fortsette uten å kaste bort ressurser.
i lys av knapphet utvikler algoritmen som regulerer strømmen av maur, seg mot å minimere driftskostnadene i stedet for umiddelbar akkumulering. Dette er en bærekraftig strategi for ethvert system, som en ørken myrkoloni eller mobilt internett, hvor det er viktig å oppnå langsiktig pålitelighet samtidig som man unngår bortkastet innsats.
>I løpet av de 130 millioner årene som maur har eksistert, har evolusjonen innstilt maurkolonialgoritmer.
Skalere Opp Fra Små Til Store Systemer
hva skjer når et system skalerer opp? Som menneskeskapte systemer må ant-systemer være robuste for å skalere opp etter hvert som kolonien vokser, og de må kunne tolerere feilen i enkelte komponenter.
siden store systemer tillater noe rot, utnytter de ideelle løsningene bidragene fra hver ekstra maur på en slik måte at fordelen med en ekstra arbeidstaker oppveier kostnadene ved å produsere og mate en.
verktøyene som tjener store kolonier godt, er derfor redundans og minimal informasjon. Enorme maur kolonier funksjon ved hjelp av svært enkle interaksjoner mellom navnløse maur uten adresse.
i konstruerte systemer søker vi også etter måter å sikre pålitelige resultater, ettersom nettverkene våre skaleres, ved å bruke billige operasjoner som gjør bruk av tilfeldighet. Elegante top-down design er tiltalende, men robustheten til mauralgoritmer viser at tolererende ufullkommenhet noen ganger fører til bedre løsninger.
Optimalisering For First-Mover Advantage
mangfoldet av ant algoritmer viser hvordan evolusjonen har reagert på ulike miljøbegrensninger. Når driftskostnadene er lave og kolonier søker en ephemeral delikatesse-som blomsternektar eller vannmelonskinner – er søkehastighet viktig hvis kolonien skal fange prisen før den tørker opp eller blir tatt bort.
siden maurkolonier konkurrerer med hverandre og mange er ute etter den samme maten, kan den første kolonien som kommer, ha den beste muligheten til å holde fast på maten og holde de andre myrene unna.
Hvordan oppnår en koloni denne førstegangsfordelen uten noen sentral kontroll? Utfordringen i denne situasjonen er for kolonien å styre strømmen av maur, så den har en maur nesten overalt nesten hele tiden. Målet er å øke sannsynligheten for at noen maur vil være nær nok til å møte hva som skjer for å dukke opp.
en strategi maur bruk (kjent fra våre egne datanettverk) er å sette opp en krets av permanente motorveier-som et nettverk av mobiltelefon tårn-som maur søke lokalt. Invasive Argentinske maur er eksperter på dette; de vil finne noen smule som lander på kjøkkenbenken.
De Argentinske maurene justerer også sine stier, skifter fra en nær tilfeldig tur når det er mange maur rundt, noe som fører hver maur til å søke grundig i et lite område, til en rettere sti når det er få maur rundt, slik at hele gruppen kan dekke mer bakken.
som et distribuert etterspørselsresponsnettverk genererer de aggregerte responsene til hver ant til lokale forhold resultatet for hele systemet, uten sentralisert retning eller kontroll.
>i lys av knapphet utvikler algoritmen som regulerer strømmen av maur, seg mot å minimere driftskostnadene i stedet for umiddelbar akkumulering.
Adressering Sikkerhetsbrudd Og Katastrofer
i tropene, hvor hundrevis av maurarter er pakket tett sammen og konkurrerer om ressurser, må koloniene håndtere sikkerhetsproblemer. Dette har ført til utviklingen av sikkerhetsprotokoller som bruker lokal informasjon for inntrengingsdeteksjon og for respons.
En koloni kan bruke («låne «eller» stjele», som mennesker ville si) informasjon fra en annen, for eksempel kjemiske stier eller tetthet av maur, for å finne og bruke ressurser.
i Stedet for å forsøke å forhindre innbrudd helt, skaper maur imidlertid løse, stokastiske identitetssystemer der en art regulerer sin oppførsel som svar på nivået av innbrudd fra en annen.
det er åpenbare paralleller med datasikkerhet. Det blir klart (vurder de siste hendelsene!) at vi også må gjennomføre lokal evaluering og reparasjon av inntrenging, tolerere noen grad av ufullkommenhet. Myrene har funnet måter å la sine systemer svare på hverandres innbrudd, uten å forsøke å sette opp en sentral myndighet som regulerer hack.
>Maur har utviklet sikkerhetsprotokoller som bruker lokal informasjon for inntrenging deteksjon og respons.
Noen av våre nettverk ser Ut til å bevege seg mot å bruke metoder distribuert av maurene.
Ta katastrofegjenopprettingsprotokollene til maur som foder i trær der grener kan bryte, så trusselen om brudd er høy. Et ringnettverk, med signaler eller maur som strømmer i begge retninger, gir rask gjenoppretting her; etter en pause i strømmen i en retning, kan strømmen i den andre retningen gjenopprette en kobling.
på samme måte ble tidlige fiberoptiske kabelnett ofte forstyrret av landbruksmaskiner og annen graving: en pause kunne bringe ned systemet fordi det ville isolere hver last. Ingeniører oppdaget snart, som maur allerede har gjort, at ringnett ville skape nettverk som er enklere å reparere.
***
våre nettverk vil fortsette å endre og utvikle seg. Ved å undersøke og sammenligne algoritmer som brukes av maur i ørkenen, i den tropiske skogen, og de invasive artene som besøker våre kjøkken, er det allerede åpenbart at myrene har kommet opp med nye løsninger som kan lære oss noe om hvordan vi skal konstruere våre systemer.
ved hjelp av enkle interaksjoner som den korte berøring av antenner-ikke ulikt våre flyktige statusoppdateringer i flyktige sosiale nettverk-kolonier gjør nettverk som reagerer på en verden som stadig endres, med ressurser som dukker opp i patcher og deretter forsvinner. Disse nettverkene er enkle å reparere og kan vokse eller krympe.
Maurkolonier har blitt brukt gjennom historien som modeller for industri, lydighet og visdom. Selv om maurene selv kan være lat, hensynsløs av andre, og rett og slett dum, vi har mye å lære av maur koloni protokoller. Myrene har utviklet måter å jobbe sammen på som vi ennå ikke har drømt om.
Kablet Mening Redaktør: Sonal Chokshi @smc90