já notou como as colônias de formigas exploram e exploram com tanto sucesso os recursos do mundo … para encontrar comida nos piqueniques de 4 de julho, por exemplo? Você pode achar isso irritante. Mas como ecologista que estuda formigas e comportamento coletivo, acho intrigante-especialmente o fato de que tudo é feito sem qualquer controle central.O que é especialmente notável: os paralelos estreitos entre as redes das colônias de formigas e as redes de engenharia humana. Um exemplo é “Anternet”, onde nós, um grupo de pesquisadores de Stanford, descobrimos que o algoritmo que as formigas do deserto usam para regular a forragem é como o protocolo de controle de tráfego (TCP) usado para regular o tráfego de dados na internet. Tanto as redes ant quanto as humanas usam feedback positivo: seja por meio de reconhecimentos que acionam a transmissão do próximo pacote de dados, seja por meio de forrageadores carregados de alimentos que acionam a saída de outro Forrageiro de saída.
esta pesquisa levou alguns a se maravilhar com a engenhosidade das formigas, capazes de inventar sistemas familiares para nós: Uau, as formigas usam algoritmos da internet há milhões de anos! (Wired, também, flertou com o conceito de “anternet” em sua coluna Jargon Watch no ano passado.)
mas o comportamento de insetos imitando redes humanas-outro exemplo são as soluções semelhantes a formigas para o problema do caixeiro viajante fornecido pelo algoritmo de otimização de colônias de formigas-na verdade não é o que é mais interessante nas redes de formigas. O que é muito mais interessante são os paralelos na outra direção: o que as formigas descobriram que nós, humanos, ainda não pensamos?
o Que Colônia de Formigas Redes Pode Nos Dizer Sobre o Que vem por Humanos Engenharia Queridos
#### Deborah Gordon
##### Sobre
Deborah M. Gordon é Professor do Departamento de Biologia na universidade de Stanford. Ela estuda a evolução da organização coletiva investigando a ecologia e o comportamento das colônias de formigas e recebeu bolsas de estudo de Guggenheim e do centro de Estudos Avançados em Ciências Comportamentais. Gordon é autor de dois livros,* Ants at Work *and * (http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): Interaction Networks and Colony Behavior*.
durante os 130 milhões de anos ou mais que as formigas existem, a evolução ajustou os algoritmos das colônias de formigas para lidar com a variabilidade e as restrições definidas por ambientes específicos.
as colônias de formigas usam redes dinâmicas de interações breves para se ajustar às condições de mudança. Nenhuma formiga individual sabe o que está acontecendo. Cada formiga apenas mantém o controle de sua experiência recente em conhecer outras formigas, seja em encontros individuais quando as formigas tocam antenas, ou quando uma formiga encontra um produto químico depositado por outra.Essas redes tornaram possível a diversidade fenomenal e abundância de mais de 11.000 espécies de formigas em todos os habitats concebíveis da Terra. Então Anternet, e outras redes de formigas, têm muito a nos ensinar. Os protocolos Ant podem sugerir maneiras de construir nossas próprias redes de informação…
lidar com altos custos operacionais
colônias de formigas Colheitadeiras no deserto deve gastar água para obter água. As formigas perdem água quando forrageiam ao sol quente e obtêm sua água metabolizando-a das sementes que coletam. Como as colônias armazenam sementes, seu sistema de feedback positivo não desperdiça esforço de forrageamento quando os custos da água são altos-mesmo que isso signifique que elas deixam algumas sementes “sobre a mesa” (ou melhor, moídas) para serem obtidas em outro dia mais úmido.
desta forma, a Anternet permite que a colônia lide com altos custos operacionais. Na internet, o protocolo TCP também impede que o sistema envie dados na internet quando não há largura de banda disponível. O esforço seria desperdiçado se a mensagem fosse perdida, então não vale a pena enviá-la, a menos que seja certo chegar ao seu destino.
mais recentemente, mostrei como a seleção natural está otimizando atualmente o algoritmo Anternet. Eu tenho seguido uma população de 300 colônias de formigas Colhedoras por mais de 25 anos, e usando impressões digitais genéticas descobrimos quais colônias tinham mais colônias de descendentes.As colônias armazenam alimentos dentro do ninho como uma tática de sobrevivência. Em dias especialmente quentes, as colônias que provavelmente ficarão baixas em vez de coletar mais alimentos são as que têm mais colônias de descendentes ao longo de suas vidas de 25 anos. __Restraint _ _ portanto, emerge como a melhor estratégia no nível da colônia. Colônias de longa duração no deserto regulam seu comportamento não para maximizar ou otimizar a ingestão de alimentos, mas para continuar sem desperdiçar recursos.
diante da escassez, o algoritmo que regula o fluxo de formigas está evoluindo para minimizar os custos operacionais em vez de acumulação imediata. Esta é uma estratégia sustentável para qualquer sistema, como uma colônia de formigas do deserto ou a internet móvel, onde é essencial alcançar confiabilidade a longo prazo, evitando o esforço desperdiçado.
>durante os 130 milhões de anos ou mais que as formigas existem, a evolução ajustou os algoritmos das colônias de formigas.
escalando de sistemas pequenos para grandes
o que acontece quando um sistema aumenta? Como os sistemas de engenharia humana, os sistemas de formigas devem ser robustos para crescer à medida que a colônia cresce e devem ser capazes de tolerar a falha de componentes individuais.Como os grandes sistemas permitem alguma confusão, as soluções ideais utilizam as contribuições de cada formiga adicional de tal forma que o benefício de um trabalhador extra supera o custo de produzir e alimentar um.
as ferramentas que servem bem grandes colônias, portanto, são redundância e informações mínimas. Enormes colônias de formigas funcionam usando interações muito simples entre formigas sem nome sem nenhum endereço.
em sistemas de engenharia, também estamos procurando maneiras de garantir resultados confiáveis, à medida que nossas redes escalam, usando operações baratas que fazem uso da aleatoriedade. Designs elegantes de cima para baixo são atraentes, mas a robustez dos algoritmos ant mostra que tolerar a imperfeição às vezes leva a melhores soluções.
otimizando para vantagem de primeiro motor
a diversidade de algoritmos ant mostra como a evolução respondeu a diferentes restrições ambientais. Quando os custos operacionais são baixos e as colônias buscam uma delicadeza efêmera-como néctar de flores ou cascas de melancia-a velocidade de busca é essencial se a colônia quiser capturar o prêmio antes que ele seque ou seja retirado.Como as colônias de formigas competem entre si e muitas estão procurando o mesmo alimento, a primeira colônia a chegar pode ter a melhor chance de segurar a comida e manter as outras formigas longe.
como uma colônia consegue essa vantagem de primeiro motor sem nenhum controle central? O desafio nessa situação é que a colônia gerencie o fluxo de formigas para que ela tenha uma formiga em quase todos os lugares quase o tempo todo. O objetivo é aumentar a probabilidade de que alguma formiga esteja perto o suficiente para encontrar o que quer que aconteça para aparecer.
uma estratégia que as formigas usam (familiar a partir de nossas próprias redes de dados) é configurar um circuito de Rodovias permanentes-como uma rede de torres de telefonia celular-a partir do qual as formigas pesquisam localmente. As formigas Argentinas invasoras são especialistas nisso; eles encontrarão qualquer migalha que caia no balcão da sua cozinha.
O Argentino formigas também ajustar os seus caminhos, mudando de um próximo passeio aleatório, quando há muitas formigas em volta, levando cada formiga para pesquisar exaustivamente em uma pequena área, para um reto caminho, quando há poucas formigas ao redor, permitindo assim que todo o grupo para cobrir mais terreno.
como uma rede distribuída de resposta à demanda, as respostas agregadas de cada ant às condições locais geram o resultado para todo o sistema, sem qualquer direção ou controle centralizado.
>diante da escassez, o algoritmo que regula o fluxo de formigas está evoluindo para minimizar os custos operacionais em vez de acumulação imediata.
abordando violações de segurança e desastres
nos trópicos, onde centenas de espécies de formigas estão reunidas e competindo por recursos, as colônias devem lidar com problemas de segurança. Isso levou à evolução dos protocolos de segurança que usam informações locais para detecção de intrusão e resposta.
uma colônia pode usar (“emprestar” ou “roubar”, como os humanos diriam) informações de outra, como trilhas químicas ou a densidade de formigas, para encontrar e usar recursos.Em vez de tentar evitar incursões completamente, no entanto, as formigas criam sistemas de identidade estocásticos soltos nos quais uma espécie regula seu comportamento em resposta ao nível de Incursão de outra.
existem paralelos óbvios com a segurança do computador. Está ficando claro (considere os eventos recentes!) que também precisaremos implementar a avaliação local e o reparo de intrusões, tolerando algum nível de imperfeição. As formigas encontraram maneiras de permitir que seus sistemas respondam às incursões uns dos outros, sem tentar estabelecer uma autoridade central que regule os hacks.
>as formigas desenvolveram protocolos de segurança que usam informações locais para detecção e Resposta de intrusão.
algumas de nossas redes parecem estar se movendo em direção ao uso de métodos implantados pelas formigas.
pegue os protocolos de recuperação de desastres de formigas que forragem em árvores onde os galhos podem quebrar, então a ameaça de ruptura é alta. Uma rede de anéis, com sinais ou formigas fluindo em ambas as direções, permite uma rápida recuperação aqui; após uma pausa no fluxo em uma direção, o fluxo na outra direção pode restabelecer um link.Da mesma forma, as primeiras redes de cabos de fibra óptica eram frequentemente interrompidas por máquinas agrícolas e outras escavações: uma quebra poderia derrubar o sistema porque isolaria cada carga. Os engenheiros logo descobriram, como as formigas já fizeram, que as redes de anéis criariam redes mais fáceis de reparar.
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nossas redes continuarão a mudar e evoluir. Examinando e comparando os algoritmos utilizados pelas formigas no deserto, na floresta tropical, e as espécies invasoras que visite nossas cozinhas, já é óbvio que as formigas têm de encontrar novas soluções que pode nos ensinar algo sobre como devemos engenheiro de nossos sistemas.
usando interações simples como o breve toque de antenas-não muito diferente de nossas atualizações de status fugazes em redes sociais efêmeras-as colônias fazem redes que respondem a um mundo que muda constantemente, com recursos que aparecem em patches e depois desaparecem. Essas redes são fáceis de reparar e podem crescer ou encolher.
colônias de formigas têm sido usadas ao longo da história como modelos de indústria, obediência e sabedoria. Embora as próprias formigas possam ser indolentes, imprudentes com os outros e francamente estúpidas, temos muito a aprender com os protocolos das colônias de formigas. As formigas desenvolveram formas de trabalhar juntas com as quais ainda não sonhamos.
Editor de opinião com fio: Sonal Chokshi @ smc90