vad vet myror att vi inte' t?

har du någonsin märkt hur myrkolonier så framgångsrikt utforskar och utnyttjar resurser i världen … för att hitta mat på 4th of July picnics, till exempel? Du kan tycka att det är irriterande. Men som en ekolog som studerar myror och kollektivt beteende tycker jag att det är spännande-särskilt det faktum att allt är gjort utan någon central kontroll.

Vad är särskilt anmärkningsvärt: de nära parallellerna mellan myrkoloniernas nätverk och mänskliga konstruerade. Ett exempel är ”Anternet”, där vi, en grupp forskare vid Stanford, fann att algoritmen ökenmyror använder för att reglera foder är som Traffic Control Protocol (TCP) som används för att reglera datatrafik på internet. Både ant-och mänskliga nätverk använder positiv feedback: antingen från bekräftelser som utlöser överföringen av nästa datapaket, eller från matbelastade återvändande foragers som utlöser utgången från en annan utgående forager.

denna forskning ledde till att vissa förundras över myrans uppfinningsrikedom, som kan uppfinna system som är bekanta för oss: wow, myror har använt internetalgoritmer i miljontals år! (Wired flirtade också med begreppet” anternet ” i sin Jargongklockkolumn förra året.)

men insektsbeteende som efterliknar mänskliga nätverk-ett annat exempel är de myrliknande lösningarna på det resande säljarproblemet som tillhandahålls av optimeringsalgoritmen för ant colony-är faktiskt inte det som är mest intressant om ant-nätverk. Vad som är mycket mer intressant är parallellerna i andra riktningen: Vad har myrorna utarbetat som vi människor inte har tänkt på än?

vilka Ant Colony-nätverk kan berätta om vad som är nästa för mänskliga konstruerade

under de 130 miljoner år som myror har funnits har evolutionen ställt in myrkolonialgoritmer för att hantera variationen och begränsningarna som ställs in av specifika miljöer.

myrkolonier använder dynamiska nätverk av korta interaktioner för att anpassa sig till förändrade förhållanden. Ingen enskild Myra vet vad som händer. Varje myra håller bara reda på sin senaste erfarenhet av att träffa andra myror, antingen i en-mot-en-möten när myror berör antenner, eller när en myra möter en kemikalie som deponeras av en annan.

sådana nätverk har möjliggjort den fenomenala mångfalden och överflödet av mer än 11 000 myrarter i alla tänkbara livsmiljöer på jorden. Så Anternet och andra ant-nätverk har mycket att lära oss. Ant-protokoll kan föreslå sätt att bygga våra egna informationsnätverk…

att hantera höga driftskostnader

Skördarmyrkolonier i öknen måste spendera vatten för att få vatten. Myrorna förlorar vatten när de födosöker i den heta solen och får sitt vatten genom att metabolisera det ur fröna som de samlar in. Eftersom kolonier lagrar frön, slösar deras system med positiv feedback inte matningsinsatser när vattenkostnaderna är höga – även om det betyder att de lämnar några frön ”på bordet” (eller snarare marken) för att erhållas på en annan, fuktigare dag.

på detta sätt tillåter Anternet kolonin att hantera höga driftskostnader. På internet förhindrar TCP-protokollet också att systemet skickar ut data på internet när det inte finns någon bandbredd tillgänglig. Ansträngningen skulle slösas bort om meddelandet går förlorat, så det är inte värt att skicka ut det om det inte är säkert att nå sin destination.

mer nyligen har jag visat hur naturligt urval för närvarande optimerar anternet-algoritmen. Jag har följt en befolkning på 300 skördarmyrkolonier i mer än 25 år, och genom att använda genetisk fingeravtryck räknade vi ut vilka kolonier som hade fler avkommor kolonier.

kolonier lagrar mat inuti boet som en överlevnadstaktik. På särskilt heta dagar är kolonier som sannolikt kommer att ligga låga istället för att samla mer mat de som har fler avkommor kolonier under deras 25-åriga livstid. __Restraint _ _ framträder därför som den bästa strategin på koloni nivå. Långlivade kolonier i öknen reglerar sitt beteende för att inte maximera eller optimera matintaget, utan istället att fortsätta utan att slösa bort resurser.

mot bakgrund av knapphet utvecklas algoritmen som reglerar flödet av myror mot att minimera driftskostnaderna snarare än omedelbar ackumulering. Detta är en hållbar strategi för alla system, som en ökenmyrkoloni eller mobilt internet, där det är viktigt att uppnå långsiktig tillförlitlighet samtidigt som man undviker bortkastad ansträngning.

skala upp från små till stora system

vad händer när ett system skalar upp? Liksom mänskliga konstruerade system måste ant-system vara robusta för att skala upp när kolonin växer, och de måste kunna tolerera fel på enskilda komponenter.

eftersom stora system möjliggör viss röra, använder de ideala lösningarna bidrag från varje ytterligare myra på ett sådant sätt att fördelen med en extra arbetare uppväger kostnaden för att producera och mata en.

verktygen som tjänar stora kolonier väl är därför redundans och minimal information. Enorma myrkolonier fungerar med mycket enkla interaktioner mellan namnlösa myror utan adress.

i konstruerade system söker vi också efter sätt att säkerställa tillförlitliga resultat, som våra nätverk skala, genom att använda billiga operationer som använder sig av slumpmässighet. Eleganta top-down-mönster är tilltalande, men robustheten hos myralgoritmer visar att tolerans av ofullkomlighet ibland leder till bättre lösningar.

Optimera för första Mover fördel

mångfalden av ant algoritmer visar hur evolutionen har svarat på olika miljöbegränsningar. När driftskostnaderna är låga och kolonier söker en efemär delikatess-som blomnektar eller vattenmelonskal-är sökhastighet avgörande om kolonin ska fånga priset innan det torkar eller tas bort.

eftersom myrkolonier konkurrerar med varandra och många letar efter samma mat, kan den första kolonin som anländer ha den bästa chansen att hålla fast vid Maten och hålla de andra myrorna borta.

hur uppnår en koloni denna första fördel utan någon central kontroll? Utmaningen i denna situation är för kolonin att hantera flödet av myror så det har en myra nästan överallt nästan hela tiden. Målet är att öka sannolikheten för att någon myra kommer att vara tillräckligt nära för att stöta på vad som än händer att dyka upp.

en strategi som myror använder (bekant från våra egna datanätverk) är att skapa en krets av permanenta motorvägar-som ett nätverk av mobiltelefontorn-från vilka myror söker lokalt. De invasiva argentinska myrorna är experter på detta; de hittar alla smulor som landar på din köksbänk.

de argentinska myrorna anpassar också sina vägar och flyttar från en nära slumpmässig promenad när det finns massor av myror runt, vilket leder varje myra att söka noggrant i ett litet område, till en rakare väg när det finns få myror runt, vilket gör att hela gruppen kan täcka mer mark.

som ett distribuerat efterfrågesvarsnätverk genererar de aggregerade svaren från varje ant till lokala förhållanden resultatet för hela systemet, utan någon centraliserad riktning eller kontroll.

ta itu med säkerhetsöverträdelser och katastrofer

i tropikerna, där hundratals myrarter packas nära varandra och konkurrerar om resurser, måste kolonier hantera säkerhetsproblem. Detta har lett till utvecklingen av säkerhetsprotokoll som använder lokal information för intrångsdetektering och för svar.

en koloni kan använda (”låna ”eller” stjäla”, som människor skulle säga) information från en annan, såsom kemiska spår eller myrans densitet, för att hitta och använda resurser.

snarare än att försöka förhindra intrång helt, skapar myror lösa, stokastiska identitetssystem där en art reglerar sitt beteende som svar på graden av intrång från en annan.

det finns uppenbara paralleller med datasäkerhet. Det blir tydligt (överväga de senaste händelserna!) att vi också kommer att behöva genomföra lokal utvärdering och reparation av intrång, vilket tolererar en viss nivå av ofullkomlighet. Myrorna har hittat sätt att låta sina system svara på varandras intrång, utan att försöka inrätta en central myndighet som reglerar Hack.

några av våra nätverk verkar röra sig mot att använda metoder som används av myrorna.

ta katastrofåterställningsprotokollen för myror som foder i träd där grenar kan bryta, så hotet om brott är högt. Ett ringnätverk, med signaler eller myror som flyter i båda riktningarna, möjliggör snabb återhämtning här; efter en paus i flödet i en riktning kan flödet i andra riktningen återupprätta en länk.

på samma sätt stördes tidiga Fiberoptiska kabelnät ofta av jordbruksmaskiner och annan grävning: en paus kunde få ner systemet eftersom det skulle isolera varje belastning. Ingenjörer upptäckte snart, som myror redan har gjort, att ringnätverk skulle skapa nätverk som är lättare att reparera.

***

våra nätverk kommer att fortsätta att förändras och utvecklas. Genom att undersöka och jämföra de algoritmer som används av myror i öknen, i den tropiska skogen och de invasiva arter som besöker våra kök är det redan uppenbart att myrorna har kommit med nya lösningar som kan lära oss något om hur vi ska konstruera våra system.

använda enkla interaktioner som den korta beröringen av antenner-inte till skillnad från våra flyktiga statusuppdateringar i flyktiga sociala nätverk-kolonier gör nätverk som svarar på en värld som ständigt förändras, med resurser som dyker upp i patchar och sedan försvinner. Dessa nätverk är lätta att reparera och kan växa eller krympa.

myrkolonier har använts genom historien som modeller för industri, lydnad och visdom. Även om myrorna själva kan vara indolenta, obetydliga av andra och rent dumma, har vi mycket att lära av myrkoloniprotokoll. Myrorna har utvecklat sätt att arbeta tillsammans som vi ännu inte har drömt om.

Wired yttrande redaktör: Sonal Chokshi @smc90