zauważyłeś kiedyś, jak kolonie mrówek tak skutecznie odkrywają i wykorzystują zasoby na świecie … aby znaleźć jedzenie na przykład na piknikach 4 lipca? Może cię to denerwować. Ale jako ekolog badający mrówki i zachowania zbiorowe uważam, że jest to intrygujące, zwłaszcza fakt, że wszystko odbywa się bez żadnej centralnej kontroli.
co jest szczególnie godne uwagi: bliskie podobieństwa między sieciami kolonii mrówek a sieciami stworzonymi przez człowieka. Jednym z przykładów jest „Anternet”, gdzie my, grupa naukowców ze Stanford, odkryliśmy, że algorytm, którego używają mrówki pustyni do regulacji żerowania, jest podobny do protokołu kontroli ruchu (TCP) używanego do regulacji ruchu danych w Internecie. Zarówno sieci mrówek, jak i ludzi wykorzystują pozytywne informacje zwrotne: albo z potwierdzeń, które wyzwalają transmisję następnego pakietu danych, albo z załadowanych żywnością powracających zbieraczy, które wyzwalają wyjście innego wychodzącego zbieracza.
te badania skłoniły niektórych do podziwiania pomysłowości mrówek, zdolnych do wymyślenia systemów znanych nam: mrówki używają internetowych algorytmów od milionów lat! (Wired też flirtował z pojęciem „anternet” w żargonie Watch w zeszłym roku.)
ale zachowanie owadów naśladujące ludzkie sieci — innym przykładem są rozwiązania podobne do mrówek problemu podróżującego sprzedawcy, dostarczone przez algorytm optymalizacji kolonii mrówek — nie jest w rzeczywistości tym, co jest najbardziej interesujące w sieciach mrówek. O wiele bardziej interesujące są podobieństwa w innym kierunku: co mrówki wypracowały, o czym my, ludzie, jeszcze nie pomyśleliśmy?
jakie sieci kolonii mrówek mogą nam powiedzieć o tym, co dalej z tymi stworzonymi przez człowieka
#### Deborah Gordon
##### o
Deborah M. Gordon jest profesorem na Wydziale Biologii w Stanford. Bada ewolucję organizacji zbiorowej, badając ekologię i zachowanie kolonii mrówek, i otrzymała stypendia od Guggenheima i Centrum Zaawansowanych Badań w naukach behawioralnych. Gordon jest autorem dwóch książek: * Ants at Work * oraz * (http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior*.
w ciągu około 130 milionów lat istnienia mrówek, ewolucja dostroiła algorytmy kolonii mrówek, aby radzić sobie ze zmiennością i ograniczeniami określonymi przez określone środowiska.
kolonie mrówek wykorzystują dynamiczne sieci krótkich interakcji, aby dostosować się do zmieniających się warunków. Żadna mrówka nie wie, co się dzieje. Każda mrówka po prostu śledzi swoje ostatnie doświadczenia spotkania z innymi mrówkami, albo w spotkaniach jeden na jeden, gdy mrówki dotykają anten, albo gdy mrówka napotyka chemikalia złożone przez inną.
takie sieci umożliwiły fenomenalną różnorodność i obfitość ponad 11 000 gatunków mrówek w każdym możliwym środowisku na Ziemi. Anternet i inne sieci mrówek mają wiele do nauczenia. Protokoły Ant mogą sugerować sposoby budowania własnych sieci informacyjnych…
radzenie sobie z wysokimi kosztami operacyjnymi
kolonie mrówek na pustyni muszą wydawać wodę, aby uzyskać wodę. Mrówki tracą wodę podczas żerowania w gorącym słońcu i pobierają wodę, metabolizując ją z nasion, które zbierają. Ponieważ kolonie przechowują nasiona, ich system pozytywnego sprzężenia zwrotnego nie marnuje wysiłków na żerowanie, gdy koszty wody są wysokie-nawet jeśli oznacza to, że zostawiają nasiona „na stole” (a raczej mielone), aby uzyskać je w inny, bardziej wilgotny dzień.
w ten sposób Anternet pozwala Kolonii radzić sobie z wysokimi kosztami operacyjnymi. W Internecie protokół TCP uniemożliwia również systemowi wysyłanie danych w Internecie, gdy nie ma dostępnej przepustowości. Wysiłek byłby zmarnowany, jeśli wiadomość zostanie utracona, więc nie warto jej wysyłać, chyba że jest pewna, że dotrze do miejsca przeznaczenia.
ostatnio pokazałem, jak dobór naturalny optymalizuje obecnie algorytm Anternet. Śledziłem populację 300 kolonii mrówek przez ponad 25 lat i używając genetycznych odcisków palców odkryliśmy, które kolonie mają więcej Kolonii potomnych.
kolonie przechowują żywność w gnieździe jako taktykę przetrwania. W szczególnie upalne dni, kolonie, które prawdopodobnie nie zbierają więcej pożywienia, są tymi, które mają więcej Kolonii potomnych w ciągu ich 25-letniego życia. __Restraint _ _ jest więc najlepszą strategią na poziomie Kolonii. Długowieczne kolonie na pustyni regulują swoje zachowanie nie po to, aby zmaksymalizować lub zoptymalizować spożycie żywności, ale po to, aby kontynuować bez marnowania zasobów.
w obliczu niedoboru algorytm regulujący przepływ mrówek ewoluuje w kierunku minimalizacji kosztów operacyjnych, a nie natychmiastowej akumulacji. Jest to zrównoważona strategia dla każdego systemu, takiego jak Pustynna kolonia mrówek lub mobilny internet, gdzie jest to niezbędne do osiągnięcia długoterminowej niezawodności przy jednoczesnym uniknięciu zmarnowanego wysiłku.
>przez około 130 milionów lat istnienia mrówek ewolucja dostroiła algorytmy kolonii mrówek.
skalowanie z małych do dużych systemów
co się dzieje, gdy system skaluje się? Podobnie jak systemy zaprojektowane przez człowieka, systemy mrówek muszą być odporne na skalowanie w miarę wzrostu kolonii i muszą być w stanie tolerować awarie poszczególnych komponentów.
ponieważ duże systemy pozwalają na pewien bałagan, idealne rozwiązania wykorzystują wkład każdej dodatkowej mrówki w taki sposób, że korzyść dodatkowego pracownika przewyższa koszty produkcji i karmienia.
narzędzia, które dobrze obsługują duże kolonie, są więc redundancją i minimalną ilością informacji. Ogromne kolonie mrówek funkcjonują dzięki bardzo prostym interakcjom między bezimiennymi mrówkami bez żadnego adresu.
w systemach inżynieryjnych również my szukamy sposobów na zapewnienie wiarygodnych wyników, ponieważ nasze sieci skalują się, wykorzystując tanie operacje, które wykorzystują losowość. Eleganckie projekty z góry na dół są atrakcyjne, ale solidność algorytmów mrówek pokazuje, że tolerowanie niedoskonałości czasami prowadzi do lepszych rozwiązań.
optymalizacja pod kątem przewagi pierwszeństwa
różnorodność algorytmów mrówek pokazuje, jak ewolucja zareagowała na różne ograniczenia środowiskowe. Gdy koszty operacyjne są niskie, a kolonie szukają efemerycznego przysmaku-takiego jak nektar kwiatowy lub skórka arbuza-szybkość wyszukiwania jest niezbędna, jeśli kolonia ma zdobyć nagrodę, zanim wyschnie lub zostanie zabrana.
ponieważ kolonie mrówek konkurują ze sobą i wiele z nich szuka tego samego pożywienia, pierwsza kolonia, która się pojawi, może mieć największe szanse na utrzymanie pożywienia i trzymanie innych mrówek z dala.
jak Kolonia osiąga tę przewagę pierwszego ruchu bez żadnej centralnej kontroli? Wyzwaniem w tej sytuacji jest, aby Kolonia zarządzała przepływem mrówek, więc ma mrówkę prawie wszędzie prawie przez cały czas. Celem jest zwiększenie prawdopodobieństwa, że jakaś mrówka będzie wystarczająco blisko, aby napotkać cokolwiek się stanie, aby się pokazać.
jedną ze strategii stosowanych przez mrówki (znaną z naszych własnych sieci danych) jest utworzenie obwodu stałych autostrad-jak sieć wież telefonii komórkowej-z których mrówki przeszukują lokalnie. Inwazyjne argentyńskie mrówki są w tym ekspertami; znajdą każdy okruchy, które wylądują na kuchennym blacie.
argentyńskie mrówki również dostosowują swoje ścieżki, przechodząc od prawie przypadkowego spaceru, gdy wokół jest dużo mrówek, prowadząc każdą mrówkę do dokładnego przeszukania na małym obszarze, do prostszej ścieżki, gdy wokół jest niewiele mrówek, dzięki czemu cała grupa może pokryć więcej terenu.
podobnie jak rozproszona sieć odpowiedzi na zapotrzebowanie, zagregowane odpowiedzi każdej mrówki na warunki lokalne generują wynik dla całego systemu, bez scentralizowanego kierunku lub kontroli.
>w obliczu niedoboru algorytm regulujący przepływ mrówek ewoluuje w kierunku minimalizacji kosztów operacyjnych, a nie natychmiastowej akumulacji.
Przeciwdziałanie naruszeniom bezpieczeństwa i katastrofom
w tropikach, gdzie setki gatunków mrówek są blisko siebie i konkurują o zasoby, kolonie muszą radzić sobie z problemami bezpieczeństwa. Doprowadziło to do ewolucji protokołów bezpieczeństwa, które wykorzystują informacje lokalne do wykrywania włamań i reagowania.
jedna kolonia może użyć („pożyczyć” lub „ukraść”, jak ludzie powiedzieliby) informacji od innej, takich jak ślady chemiczne lub gęstość mrówek, aby znaleźć i wykorzystać zasoby.
zamiast całkowicie zapobiegać wtargnięciom, mrówki tworzą luźne, stochastyczne systemy tożsamości, w których jeden gatunek reguluje swoje zachowanie w odpowiedzi na poziom wtargnięcia od innego.
istnieją oczywiste podobieństwa z bezpieczeństwem komputera. Staje się jasne (rozważ Ostatnie wydarzenia!), że my również będziemy musieli wdrożyć lokalną ocenę i naprawę włamań, TOLERUJĄC pewien poziom niedoskonałości. Mrówki znalazły sposoby na to, by ich systemy reagowały na ataki innych, bez próby utworzenia centralnego organu, który reguluje ataki.
>Mrówki opracowały protokoły bezpieczeństwa, które wykorzystują lokalne informacje do wykrywania włamań i reagowania.
niektóre z naszych sieci wydają się zmierzać w kierunku stosowania metod wdrożonych przez mrówki.
weź protokoły disaster recovery mrówek, które żerują na drzewach, gdzie gałęzie mogą pękać, więc zagrożenie pęknięciem jest wysokie. Sieć Pierścieniowa, z sygnałami lub mrówkami płynącymi w obu kierunkach, pozwala na szybkie odzyskanie tutaj; po przerwie w przepływie w jednym kierunku, przepływ w drugim kierunku może przywrócić połączenie.
podobnie, wczesne sieci światłowodowe były często zakłócane przez maszyny rolnicze i inne kopanie: jedna przerwa mogła zniszczyć system, ponieważ odizolowałaby każdy ładunek. Inżynierowie wkrótce odkryli, jak to już zrobiły mrówki, że sieci pierścieniowe będą tworzyć sieci łatwiejsze do naprawy.
***
nasze sieci będą nadal się zmieniać i ewoluować. Badając i porównując algorytmy używane przez mrówki na pustyni, w lesie tropikalnym i gatunki inwazyjne, które odwiedzają nasze kuchnie, już teraz jest oczywiste, że mrówki wymyśliły nowe rozwiązania, które mogą nas nauczyć czegoś o tym, jak powinniśmy projektować nasze systemy.
używając prostych interakcji, takich jak krótkie dotknięcie anten-podobnie jak nasze ulotne aktualizacje statusu w efemerycznych sieciach społecznościowych-kolonie tworzą sieci, które reagują na świat, który stale się zmienia, z zasobami, które pojawiają się w łatkach, a następnie znikają. Sieci te są łatwe do naprawy i mogą rosnąć lub kurczyć się.
kolonie mrówek były używane w całej historii jako modele przemysłu, posłuszeństwa i mądrości. Chociaż same mrówki mogą być leniwe, bezmyślne wobec innych i wręcz głupie, mamy wiele do nauczenia się z protokołów kolonii mrówek. Mrówki wyewoluowały sposoby współpracy, o których jeszcze nie marzyliśmy.
Autor opinii: Sonal Chokshi @smc90