IT в мире животных: поиск еды муравьями и протокол TCP/IP
Ряд технологий, которыми мы пользуемся сейчас, были «придуманы» и реализованы естественным отбором и прочими эволюционными механизмами миллионы лет назад. Это, например, ультразвуковая навигация (летучие мыши), сонары (киты), электрошокер (электрические угри) и т.п. Как оказалось, природа миллионы лет назад разработала еще и алгоритмы, согласно которым работает сетевой протокол TCP/IP, созданный уже человеком. Методы поиска еды муравьями совпадают с этими алгоритмами.
Практически в каждой муравьиной колонии большинства видов муравьев есть фуражиры — особи, которые доставляют еду. На первый взгляд фуражиры беспорядочно бегают вокруг гнезда, кто дальше, кто ближе, и особого толку от их деятельности нет. Но это только на первый взгляд. Несмотря на кажущуюся хаотичность их поведения, оно подчиняется определенным законам.
Наиболее ярким кейсом является поведение фуражиров муравьев вида Pogonomyrmex barbatus. Они практически никогда не возвращаются в колонию без добычи — еды. Частота и количество «пищевых рейдов» зависит от частоты и количества возвращающихся в колонию фуражиров.
Многие поведенческие модели муравьев неизменны в течение многих миллионов лет, так что можно сказать, что именно эти насекомые изобрели основные принципы работы TCP/IP миллионы лет назад. По мнению исследователя Баладжи Прабхакара, давным-давно муравьи узнали о таких функциях, как медленное начало передачи (slow start) и прерывание передачи в результате разрыва связи (time-out). Что касается первого случая, то при отправке большого числа фуражиров (пакетов) передача продолжается, но с большими интервалами.
Если же возвращающихся с едой муравьев нет (отсутствуют подтверждения о доставке пакетов), передача прерывается на определенное время. В случае указанного вида муравьев задержка составляет примерно 20 минут. Если в течение этого срока не вернулся ни один муравей, новые фуражиры никуда не уходят, гнездо находится в режиме ожидания. Как только появляется хотя бы один фуражир с едой, отправка доставщиков еды возобновляется.
Оптимизация маршрута: положительная и отрицательная обратная связи
Выходя из гнезда, фуражир движется по произвольной траектории. За собой он оставляет пахучий (для других муравьев) след при помощи феромонов. Возвращается муравей по своему же пути, причем траектория движения может быть несколько отличной (например, идя обратно с грузом, он вынужден огибать препятствия, которые налегке просто покорял, как горную вершину).
Если фуражир возвращается с грузом, другие муравьи «понимают», что там, где только что побывал разведчик, есть еще еда. Вначале другие муравьи продвигаются по изначальным «тропам», но в конечном итоге прокладывают новый, кратчайший маршрут. Дело в том, что по короткому пути успевает пройти больше муравьев за единицу времени, чем по длинному, а значит, феромонный след короткого пути через некоторое время усилится, а вот след длинного пути, наоборот, ослабеет. В конечном итоге останется самый короткий маршрут, а длинные пути исчезнут из-за испарения ферoмонов. Здесь есть один интересный нюанс — если бы феромоны не испарялись, или испарялись бы медленнее, чем на самом деле, то проложить короткий путь у муравьев бы не получалось.
Муравей-жнец (Pogonomyrmex barbatus)
А так, поскольку система основана на положительной обратной связи (когда другие особи делают феромонный путь более «заметным) и отрицательной обратной связи (феромоны испаряются, путь становится все менее заметным для других особей), происходит самоорганизация траектории движения муравьев и в конечном итоге, они начинают двигаться по кратчайшему пути.
Муравьи и роботы
В этом году стало известно о еще одном исследовании муравьиных колоний, результаты которого были использованы в робототехнике. Дело в том, что ученых давно удивляла способность насекомых избегать пробок при рытье ходов. Все они каким-то образом самоорганизуются, муравьев с грузом пропускают остальные особи.
В рамках нового эксперимента специалисты обследовали поведение 30 огненных муравьев вида Solenopsis invicta. В процессе создания гнезда они выносили груз (частицы грунта) наружу. Поначалу в тоннелях возникали пробки, но с течением времени муравьи научились ожидать, пока не освободится проход, и затем несли свой груз без проблем.
Ученые изучили алгоритм поведения муравьев и использовали этот алгоритм для обучения небольших роботов. Механизмы обучили транспортировать груз по муравьиной модели, и роботы стали работать слаженно и без проблем. Роботы научились пропускать своих собратьев с грузом и следовать далее по намеченному маршруту — без столкновений и особых задержек. По мнению авторов исследования, полученные алгоритмы смогут быть полезными для логистики, робомобилей, а также построения моделей снижения пробок на дорогах. Ранее использовались лишь статистические модели, но теперь вполне можно использовать и механизмы, которые используют муравьи.
IoT и разделение муравьев одной колонии
Еще один эксперимент, который был проведен несколько лет назад, помог понять, почему муравьи одного из видов решают отделиться от своей основной колонии и основать новую (роение пчел имеет примерно ту же природу). Так вот, как только муравьи начинают слишком часто сталкиваться в гнезде, количество столкновений достигает критической величины, то ряд рабочих «выбирает» наследницу королевы, подхватывает ее и перемещается в новое место (так поступают не все виды этих насекомых).
Ученые считают, что принцип, который позволяет муравьям определять время, когда необходимо отделиться от основной колонии, поможет определить надежность прогноза погоды, основанном на данных сенсоров и датчиков из определенного региона. Например, сенсоры, которые обмениваются между собой информацией, могут передавать определенный токен, и центральный сервер, кроме информации наблюдения о погоде, получит информацию о количестве регистраций определенных погодных условий в определенном месте. Чем таких регистраций больше, тем надежнее прогноз погоды, созданный на основе показаний.
Модель поведения, представленная выше для муравьев, актуальна и для других общественных насекомых, включая термитов, пчел, ос и других. Дальнейшее изучение поведения общественных насекомых позволит обнаружить и другие «технологии», которые они используют. Некоторые из них, вполне может быть, пригодятся человеку. Но вообще у природы еще огромное количество секретов, которые только предстоит раскрыть.
