ooit opgemerkt hoe mierenkolonies zo succesvol hulpbronnen in de wereld verkennen en exploiteren … om voedsel te vinden tijdens picknicks op 4 juli, bijvoorbeeld? Misschien vind je het vervelend. Maar als ecoloog die mieren en collectief gedrag bestudeert, vind ik het intrigerend — vooral het feit dat het allemaal gebeurt zonder enige centrale controle.Wat vooral opmerkelijk is: de nauwe parallellen tussen de netwerken van mierenkolonies en die van de mens. Een voorbeeld is “Anternet”, waar wij, een groep onderzoekers van Stanford, vonden dat het algoritme woestijnmieren gebruiken om foerageer te reguleren is als het Traffic Control Protocol (TCP) gebruikt om dataverkeer op het internet te reguleren. Zowel ant als menselijke netwerken gebruiken positieve feedback: ofwel van erkenningen die de transmissie van het volgende datapakket activeren, of Van voedselbeladen terugkerende foeragemieren die de uitgang van een andere uitgaande foerager activeren.
dit onderzoek leidde ertoe dat sommigen zich verwonderden over de vindingrijkheid van mieren, die ons bekende systemen konden uitvinden: wauw, mieren gebruiken al miljoenen jaren internetalgoritmen! (Wired, ook, flirtte met het concept van “anternet” in zijn jargon horloge kolom vorig jaar.)
maar insectengedrag dat menselijke netwerken nabootst — een ander voorbeeld zijn de mier-achtige oplossingen voor het probleem van de reizende verkoper die door het optimalisatiealgoritme van de mierenkolonie worden geboden — is eigenlijk niet het interessantste aan mierennetwerken. Wat veel interessanter is, zijn de parallellen in de andere richting: wat hebben de mieren uitgewerkt waar wij mensen nog niet aan gedacht hebben?
wat Mierenkolonienetwerken ons kunnen vertellen over de toekomst van door mensen ontworpen netwerken
#### Deborah Gordon
##### ongeveer
Deborah M. Gordon is Professor aan het departement Biologie van Stanford. Ze bestudeert de evolutie van collectieve organisatie door het onderzoeken van de ecologie en het gedrag van mierenkolonies, en is bekroond met fellowships van Guggenheim en het Center for Advanced Study in Behavioral Sciences. Gordon is de auteur van twee boeken, *Ants at Work* en *(http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior*.
gedurende de 130 miljoen jaar dat mieren in de buurt zijn geweest, heeft de evolutie mierenkoloniealgoritmen afgestemd om de variabiliteit en beperkingen van specifieke omgevingen aan te pakken.
mierenkolonies maken gebruik van dynamische netwerken van korte interacties om zich aan te passen aan veranderende omstandigheden. Geen enkele mier weet wat er aan de hand is. Elke mier houdt gewoon zijn recente ervaring bij die andere mieren ontmoet, hetzij in één-op-één ontmoetingen wanneer mieren voelsprieten aanraken, of wanneer een mier een chemische stof tegenkomt die door een andere is afgezet.
dergelijke netwerken hebben de fenomenale diversiteit en overvloed van meer dan 11.000 mierensoorten in elke denkbare habitat op aarde mogelijk gemaakt. Anternet en andere mierennetwerken kunnen ons veel leren. Ant-protocollen kunnen wijzen op manieren om onze eigen informatienetwerken op te bouwen…
het omgaan met hoge bedrijfskosten
Harvestermierkolonies in de woestijn moeten water uitgeven om water te krijgen. De mieren verliezen water bij het foerageren in de hete zon, en krijgen hun water door het te metaboliseren uit de zaden die ze verzamelen. Aangezien kolonies zaden opslaan, hun systeem van positieve feedback niet verspillen foerageren inspanning wanneer water kosten hoog zijn-zelfs als het betekent dat ze sommige zaden “op de tafel” (of liever, grond) te verkrijgen op een andere, meer vochtige dag.
op deze manier kan de kolonie met het Anternet omgaan met hoge operationele kosten. In het internet voorkomt het TCP-protocol ook dat het systeem gegevens over het internet verstuurt als er geen bandbreedte beschikbaar is. Inspanning zou worden verspild als het bericht verloren gaat, dus het is niet de moeite waard om het uit te sturen, tenzij het zeker is om zijn bestemming te bereiken.
recenter heb ik laten zien hoe natuurlijke selectie momenteel het anternet algoritme optimaliseert. Ik volg al meer dan 25 jaar een populatie van 300 harvestermierkolonies.met behulp van genetische vingerafdrukken kwamen we erachter welke kolonies meer nakomelingen hadden.
kolonies slaan voedsel in het nest op als overlevingstactiek. Op vooral warme dagen, kolonies die waarschijnlijk laag in plaats van het verzamelen van meer voedsel zijn degenen die meer nakomelingen kolonies hebben over hun 25-jarige levensduur. __Restraint _ _ komt daarom naar voren als de beste strategie op kolonieniveau. Langlevende kolonies in de woestijn reguleren hun gedrag niet om voedselinname te maximaliseren of te optimaliseren, maar in plaats daarvan om door te gaan zonder middelen te verspillen.
In het licht van schaarste evolueert het algoritme dat de stroom van mieren reguleert naar het minimaliseren van operationele kosten in plaats van onmiddellijke accumulatie. Dit is een duurzame strategie voor elk systeem, zoals een woestijnmierenkolonie of het mobiele internet, waar het essentieel is om betrouwbaarheid op lange termijn te bereiken en tegelijkertijd verspilde moeite te vermijden.
>in de 130 miljoen jaar dat mieren bestaan, heeft de evolutie algoritmen van mierenkolonies afgestemd.
opschalen van kleine naar grote systemen
Wat gebeurt er als een systeem opschaalt? Net als door mensen ontworpen systemen, moeten mierensystemen robuust zijn om op te schalen als de kolonie groeit, en ze moeten het falen van individuele componenten kunnen verdragen.
aangezien grote systemen enige verwarring mogelijk maken, maken de ideale oplossingen gebruik van de bijdragen van elke extra mier op een zodanige wijze dat het voordeel van een extra werknemer opweegt tegen de kosten van het produceren en voeden van een extra werknemer.
de Hulpmiddelen die grote kolonies goed dienen, zijn daarom redundantie en minimale informatie. Enorme mierenkolonies functioneren met behulp van zeer eenvoudige interacties tussen naamloze mieren zonder Adres.
In engineered systems zijn ook wij op zoek naar manieren om betrouwbare resultaten te garanderen, zoals onze netwerken schaal, door het gebruik van goedkope operaties die gebruik maken van willekeur. Elegante top-down ontwerpen zijn aantrekkelijk, maar de robuustheid van mierenalgoritmen laat zien dat het tolereren van imperfectie soms leidt tot betere oplossingen.
optimalisatie voor First-Mover Advantage
de diversiteit van Ant-algoritmen laat zien hoe evolutie heeft gereageerd op verschillende milieubeperkingen. Wanneer de operationele kosten laag zijn en kolonies een kortstondige delicatesse zoeken – zoals bloemnectar of watermeloenschillen – is zoeksnelheid essentieel als de kolonie de prijs wil vangen voordat het opdroogt of wordt weggenomen.
aangezien mierenkolonies met elkaar concurreren en velen op zoek zijn naar hetzelfde voedsel, heeft de Eerste kolonie die aankomt misschien de beste kans om het voedsel vast te houden en de andere mieren weg te houden.
hoe bereikt een kolonie dit voordeel zonder enige centrale controle? De uitdaging in deze situatie is voor de kolonie om de stroom van mieren te beheren, zodat het heeft een mier bijna overal bijna de hele tijd. Het doel is om de kans te vergroten dat een mier dichtbij genoeg zal zijn om te ontmoeten wat er ook gebeurt om te verschijnen.
een strategie die mieren gebruiken (bekend uit onze eigen datanetwerken) is het opzetten van een circuit van permanente snelwegen — zoals een netwerk van mobiele telefoonmasten — van waaruit mieren lokaal zoeken. De invasieve Argentijnse mieren zijn hier experts in; ze vinden elke kruimel die op je aanrecht landt.
de Argentijnse mieren passen ook hun paden aan, verschuivend van een bijna willekeurige wandeling als er veel mieren in de buurt zijn, waardoor elke mier grondig in een klein gebied zoekt, naar een rechter pad als er weinig mieren in de buurt zijn, waardoor de hele groep meer grond kan bedekken.
net als een gedistribueerd vraagresponsnetwerk genereert de geaggregeerde respons van elke ant op lokale omstandigheden het resultaat voor het hele systeem, zonder enige gecentraliseerde richting of controle.
>In het licht van schaarste evolueert het algoritme dat de stroom van mieren reguleert naar het minimaliseren van operationele kosten in plaats van onmiddellijke accumulatie.
het aanpakken van inbreuken op de beveiliging en Rampen
in de tropen, waar honderden mierensoorten dicht bij elkaar liggen en concurreren om hulpbronnen, moeten kolonies veiligheidsproblemen aanpakken. Dit heeft geleid tot de evolutie van beveiligingsprotocollen die lokale informatie gebruiken voor inbraakdetectie en voor respons.
een kolonie zou informatie van een andere kolonie kunnen gebruiken (“lenen” of “stelen”, zoals mensen zouden zeggen), zoals chemische sporen of de dichtheid van mieren, om bronnen te vinden en te gebruiken.
in plaats van te proberen invallen volledig te voorkomen, creëren mieren echter losse, stochastische identiteitssystemen waarin een soort zijn gedrag reguleert als reactie op het niveau van invallen van een andere soort.
er zijn duidelijke parallellen met computerbeveiliging. Het wordt duidelijk (denk aan recente gebeurtenissen!) dat ook wij nodig zullen hebben om lokale evaluatie en reparatie van inbraken uit te voeren, tolereren een bepaalde mate van onvolmaaktheid. De mieren hebben manieren gevonden om hun systemen te laten reageren op elkaars invallen, zonder te proberen een centrale autoriteit op te zetten die hacks reguleert.
>mieren hebben beveiligingsprotocollen ontwikkeld die lokale informatie gebruiken voor inbraakdetectie en-reactie.
sommige van onze netwerken lijken te evolueren naar het gebruik van methoden die door de mieren worden ingezet.
neem de noodherstelprotocollen van mieren die foerageren in bomen waar takken kunnen breken, zodat de kans op breuk groot is. Een ringnetwerk, met signalen of mieren die in beide richtingen stromen, zorgt hier voor een snel herstel; na een onderbreking in de stroming in de ene richting, kan de stroming in de andere richting een verbinding herstellen.
evenzo werden de eerste glasvezelkabelnetwerken vaak verstoord door landbouwmachines en andere graafwerkzaamheden: een breuk kon het systeem neerhalen omdat het elke lading zou isoleren. Ingenieurs ontdekten al snel, zoals mieren al hebben gedaan, dat ringnetwerken netwerken zouden creëren die gemakkelijker te repareren zijn.
***
onze netwerken zullen blijven veranderen en evolueren. Door de algoritmen te onderzoeken en te vergelijken die mieren gebruiken in de woestijn, in het tropische bos, en de invasieve soorten die onze keukens bezoeken, is het al duidelijk dat de mieren nieuwe oplossingen hebben gevonden die ons iets kunnen leren over hoe we onze systemen moeten ontwerpen.
met behulp van eenvoudige interacties zoals de korte aanraking van antennes — niet in tegenstelling tot onze vluchtige statusupdates in kortstondige sociale netwerken — maken kolonies netwerken die reageren op een wereld die voortdurend verandert, met middelen die in patches verschijnen en dan verdwijnen. Deze netwerken zijn gemakkelijk te repareren en kunnen groeien of krimpen.
mierenkolonies zijn door de geschiedenis heen gebruikt als modellen van industrie, gehoorzaamheid en wijsheid. Hoewel de mieren zelf indolent kunnen zijn, onachtzaam van anderen, en ronduit dom, hebben we veel te leren van mierenkolonieprotocollen. De mieren hebben manieren van samenwerken ontwikkeld waar we nog niet van hebben gedroomd.
Wired Opinion Editor: Sonal Chokshi @smc90