ai observat vreodată cum coloniile de furnici explorează și exploatează cu succes resursele din lume … pentru a găsi hrană la picnicuri de 4 iulie, de exemplu? S-ar putea să vi se pară enervant. Dar ca ecologist care studiază furnicile și comportamentul colectiv, cred că este intrigant — în special faptul că totul se face fără niciun control central.
ceea ce este deosebit de remarcabil: paralelele strânse dintre rețelele coloniilor de furnici și cele create de om. Un exemplu este „Anternet”, unde noi, un grup de cercetători de la Stanford, am descoperit că algoritmul pe care furnicile deșertului îl folosesc pentru a regla hrănirea este ca protocolul de Control al traficului (TCP) utilizat pentru a regla traficul de date pe internet. Atât rețelele ant, cât și cele umane folosesc feedback pozitiv: fie din mulțumiri care declanșează transmiterea următorului pachet de date, fie de la furajele care se întorc încărcate cu alimente care declanșează ieșirea unui alt forager de ieșire.
această cercetare a condus pe unii să se minuneze de ingeniozitatea furnicilor, capabili să inventeze sisteme familiare pentru noi: uau, furnicile folosesc algoritmi de internet de milioane de ani! (Wired, de asemenea, a cochetat cu conceptul de „anternet” în coloana sa de jargon Watch anul trecut.)
dar comportamentul insectelor care imită rețelele umane – un alt exemplu sunt soluțiile asemănătoare furnicilor la problema vânzătorului călător furnizat de algoritmul de optimizare a coloniilor de furnici-nu este de fapt ceea ce este cel mai interesant la rețelele de furnici. Ceea ce este mult mai interesant sunt paralelele în cealaltă direcție: ce au lucrat furnicile la care noi, oamenii, nu ne-am gândit încă?
ce ne pot spune rețelele de colonii de furnici despre ce urmează pentru cele proiectate de om
#### Deborah Gordon
##### despre
Deborah M. Gordon este profesor la Departamentul de Biologie de la Stanford. Ea studiază evoluția organizării colective prin investigarea ecologiei și comportamentului coloniilor de furnici și a primit burse de la Guggenheim și Centrul pentru Studii Avansate în științe comportamentale. Gordon este autorul a două cărți, * furnicile la locul de muncă *și*(http://www.amazon.com/Ant-Encounters-Interaction-Networks-Behavior/dp/0691138796): rețele de interacțiune și comportamentul coloniilor*.
în cei 130 de milioane de ani în care furnicile au existat, evoluția a reglat algoritmii coloniilor de furnici pentru a face față variabilității și constrângerilor stabilite de medii specifice.
coloniile de furnici folosesc rețele dinamice de interacțiuni scurte pentru a se adapta condițiilor în schimbare. Nici o furnică individuală nu știe ce se întâmplă. Fiecare furnică ține evidența experienței sale recente întâlnind alte furnici, fie în întâlniri unu-la-unu când furnicile ating antenele, fie când o furnică întâlnește o substanță chimică depusă de alta.
astfel de rețele au făcut posibilă diversitatea fenomenală și abundența a peste 11.000 de specii de furnici în fiecare habitat imaginabil de pe Pământ. Deci, Anternet, și alte rețele de furnici, au multe de învățat. Protocoalele Ant pot sugera modalități de a ne construi propriile rețele de informații…
care se ocupă cu costuri ridicate de Operare
coloniile de furnici de recoltat în deșert trebuie să cheltuiască apă pentru a obține apă. Furnicile pierd apă atunci când se hrănesc în soarele fierbinte și își obțin apa metabolizând-o din semințele pe care le colectează. Deoarece coloniile stochează semințe, sistemul lor de feedback pozitiv nu pierde efortul de hrănire atunci când costurile apei sunt ridicate-chiar dacă înseamnă că lasă niște semințe „pe masă” (sau mai bine zis, pământ) pentru a fi obținute într-o altă zi mai umedă.
în acest fel, Anternetul permite coloniei să facă față costurilor de operare ridicate. În internet, protocolul TCP împiedică, de asemenea, sistemul să trimită date pe internet atunci când nu există lățime de bandă disponibilă. Efortul ar fi irosit dacă mesajul este pierdut, deci nu merită să-l trimiteți decât dacă este sigur că va ajunge la destinație.
mai recent, am arătat cum selecția naturală optimizează în prezent algoritmul Anternet. Am urmărit o populație de 300 de colonii de furnici de recoltat de mai bine de 25 de ani și folosind amprentarea genetică ne-am dat seama care colonii au mai multe colonii de descendenți.
coloniile stochează hrana în interiorul cuibului ca tactică de supraviețuire. În zilele deosebit de călduroase, coloniile care sunt susceptibile să rămână scăzute în loc să colecteze mai multă hrană sunt cele care au mai multe colonii de descendenți de-a lungul vieții lor de 25 de ani. _Prin urmare, _Restraint __apare ca cea mai bună strategie la nivelul coloniei. Coloniile de lungă durată din deșert își reglează comportamentul nu pentru a maximiza sau optimiza aportul alimentar, ci pentru a continua fără a pierde resurse.
în fața deficitului, algoritmul care reglează fluxul de furnici evoluează spre minimizarea costurilor de operare, mai degrabă decât acumularea imediată. Aceasta este o strategie durabilă pentru orice sistem, cum ar fi o colonie de furnici din deșert sau Internetul mobil, unde este esențial să se obțină fiabilitate pe termen lung, evitând în același timp efortul irosit.
>în cei 130 de milioane de ani în care furnicile au existat, evoluția a reglat algoritmii coloniilor de furnici.
scalarea de la sisteme mici la sisteme mari
ce se întâmplă când un sistem se scalează? La fel ca sistemele proiectate de om, sistemele de furnici trebuie să fie robuste pentru a se extinde pe măsură ce colonia crește și trebuie să poată tolera eșecul componentelor individuale.
deoarece sistemele mari permit o anumită dezordine, soluțiile ideale utilizează contribuțiile fiecărei furnici suplimentare în așa fel încât beneficiul unui lucrător suplimentar să depășească costul producerii și hrănirii unuia.
instrumentele care servesc bine coloniilor mari, prin urmare, sunt redundanță și informații minime. Coloniile enorme de furnici funcționează folosind interacțiuni foarte simple între furnicile fără nume, fără nicio adresă.
în sistemele proiectate și noi căutăm modalități de a asigura rezultate fiabile, pe măsură ce rețelele noastre se extind, folosind operațiuni ieftine care folosesc aleatoritatea. Modelele elegante de sus în jos sunt atrăgătoare, dar robustețea algoritmilor ant arată că tolerarea imperfecțiunii duce uneori la soluții mai bune.
optimizarea pentru avantajul primului venit
diversitatea algoritmilor ant arată modul în care evoluția a răspuns la diferite constrângeri de mediu. Atunci când costurile de operare sunt scăzute și coloniile caută o delicatesă efemeră-cum ar fi nectarul de flori sau coaja de pepene verde-viteza de căutare este esențială dacă colonia trebuie să capteze premiul înainte de a se usca sau de a fi luată.
deoarece coloniile de furnici concurează între ele și multe sunt în căutarea aceleiași alimente, prima colonie care ajunge ar putea avea cele mai mari șanse să se țină de mâncare și să țină celelalte furnici departe.
cum poate o colonie să obțină acest avantaj al primului venit fără niciun control central? Provocarea în această situație este ca colonia să gestioneze fluxul de furnici, astfel încât să aibă o furnică aproape peste tot aproape tot timpul. Scopul este de a crește probabilitatea ca o furnică să fie suficient de aproape pentru a întâlni orice se întâmplă să apară.
o strategie pe care o folosesc furnicile (familiară din propriile noastre rețele de date) este să înființeze un circuit de autostrăzi permanente-ca o rețea de turnuri de telefonie mobilă-din care furnicile caută local. Furnicile argentiniene invazive sunt experți în acest sens; vor găsi orice firimitură care aterizează pe blatul din bucătărie.
furnicile argentiniene își ajustează, de asemenea, căile, trecând de la o plimbare apropiată la aleatorie atunci când există o mulțime de furnici în jur, ducând fiecare furnică să caute temeinic într-o zonă mică, la o cale mai dreaptă atunci când sunt puține furnici în jur, permițând astfel întregului grup să acopere mai mult teren.
ca o rețea distribuită de răspuns la cerere, răspunsurile agregate ale fiecărei ant la condițiile locale generează rezultatul pentru întregul sistem, fără nicio direcție sau control centralizat.
>în fața deficitului, algoritmul care reglează fluxul de furnici evoluează spre minimizarea costurilor de operare, mai degrabă decât acumularea imediată.
abordarea breșelor de securitate și a dezastrelor
în tropice, unde sute de specii de furnici sunt împachetate aproape împreună și concurează pentru resurse, coloniile trebuie să facă față problemelor de securitate. Acest lucru a dus la evoluția protocoalelor de securitate care utilizează informații locale pentru detectarea intruziunilor și pentru răspuns.
o colonie ar putea folosi („împrumuta” sau „fura”, cum ar spune oamenii) informații de la alta, cum ar fi urmele chimice sau densitatea furnicilor, pentru a găsi și utiliza resurse.
în loc să încerce să prevină complet incursiunile, furnicile creează sisteme de identitate stochastice, în care o specie își reglează comportamentul ca răspuns la nivelul incursiunii de la alta.
există paralele evidente cu securitatea computerului. Devine clar (luați în considerare evenimentele recente!) că și noi va trebui să implementăm evaluarea locală și repararea intruziunilor, tolerând un anumit nivel de imperfecțiune. Furnicile au găsit modalități de a-și lăsa sistemele să răspundă la incursiunile celorlalți, fără a încerca să înființeze o autoritate centrală care să reglementeze hack-urile.
>furnicile au dezvoltat protocoale de securitate care utilizează informații locale pentru detectarea și răspunsul intruziunilor.
unele dintre rețelele noastre par să se îndrepte spre utilizarea metodelor utilizate de furnici.
luați protocoalele de recuperare în caz de dezastru ale furnicilor care se hrănesc în copaci unde ramurile se pot rupe, astfel încât amenințarea ruperii este mare. O rețea inelară, cu semnale sau furnici care curg în ambele direcții, permite recuperarea rapidă aici; după o întrerupere a fluxului într-o direcție, fluxul în cealaltă direcție poate restabili o legătură.
în mod similar, rețelele de cablu cu fibră optică timpurii au fost adesea perturbate de mașinile agricole și alte săpături: o pauză ar putea doborî sistemul, deoarece ar izola fiecare sarcină. Inginerii au descoperit curând, așa cum au făcut deja furnicile, că rețelele inelare ar crea rețele mai ușor de reparat.
***
rețelele noastre vor continua să se schimbe și să evolueze. Examinând și comparând algoritmii folosiți de furnici în deșert, în pădurea tropicală, și speciile invazive care ne vizitează bucătăriile, este deja evident că furnicile au venit cu noi soluții care ne pot învăța ceva despre cum ar trebui să ne proiectăm sistemele.
folosind interacțiuni simple, cum ar fi atingerea scurtă a antenelor-nu spre deosebire de actualizările noastre trecătoare de stare în rețelele sociale efemere-coloniile creează rețele care răspund unei lumi care se schimbă constant, cu resurse care apar în patch-uri și apoi dispar. Aceste rețele sunt ușor de reparat și pot crește sau micșora.
coloniile de furnici au fost folosite de-a lungul istoriei ca modele de industrie, ascultare și înțelepciune. Deși furnicile în sine pot fi indolente, nechibzuite față de ceilalți și de-a dreptul stupide, avem multe de învățat din protocoalele coloniilor de furnici. Furnicile au dezvoltat moduri de a lucra împreună la care nu am visat încă.
editor de opinie prin cablu: Sonal Chokshi @ smc90