动物界的IT:蚂蚁食品搜索和TCP / IP



我们现在使用的许多技术是数百万年前通过自然选择和其他进化机制“发明”并实现的。 例如,超声波导航(蝙蝠),声纳(鲸鱼),电晕枪(电鳗)等。 事实证明,数百万年前,自然界还开发了算法,根据这些算法,人类已经创建了TCP / IP网络协议。 蚂蚁食物搜索方法与这些算法是一致的。

在几乎每个蚁群中,大多数种类的蚂蚁都有觅食者-运送食物的个体。 乍一看,觅食者随机在巢穴中跑来跑去,走得更远,走得更近,他们的活动没有特别的意义。 但这只是乍看之下。 尽管他们的行为看似随机,但它遵守某些法律。

最明显的情况是Pogonomyrmex barbatus物种的蚂蚁觅食行为。 他们几乎从来没有没有食物就返回殖民地。 突袭的频率和数量取决于返回殖民地的觅食者的频率和数量。

蚂蚁的许多行为模式在数百万年间一直没有改变,因此可以说,正是这些昆虫在数百万年前发明了TCP / IP的基本原理。 根据研究员Balaji Prabhakar的说法,很久以前,蚂蚁了解到一些功能,例如由于通信中断(超时)而导致传输缓慢启动和传输中断。 对于第一种情况,当发送大量的觅食者(小包)时,传输继续进行,但是间隔很大。

如果没有蚂蚁返回食物(没有确认包裹的交付),则传输会中断一段时间。 对于这种类型的蚂蚁,延迟时间约为20分钟。 如果在此期间没有一只蚂蚁返回,则新的觅食者不会到任何地方,巢处于待机模式。 一旦至少有一个觅食的食物出现 ,食物供应商的派遣就会恢复。

路线优化:正面和负面反馈


觅食者离开巢穴,沿着任意轨迹移动。 在信息素的帮助下,他留下了气味(对其他蚂蚁而言)的痕迹。 蚂蚁沿着自己的路径返回,其轨迹可能有所不同(例如,随着负载的返回,他被迫绕过他刚刚征服的障碍物,如山峰)。

如果觅食者随负载返回,则其他蚂蚁“理解”侦察员刚刚去过的地方仍然有食物。 最初,其他蚂蚁沿着原始的“路径”移动,但最终却铺设了一条新的最短路径。 事实是,单位时间内,沿着短路径的蚂蚁多于长路径的蚂蚁,这意味着短路径的信息素踪迹会在一段时间后增加,但相反,长路径的踪迹会减弱。 最后,最短的路线将保留,而长的路线将由于亚铁蛋白的蒸发而消失。 有一个有趣的细微差别-如果信息素没有蒸发,或者它们的蒸发速度比现实中的慢,那么蚂蚁将无法走近路。


收割者蚂蚁(Pogonomyrmex barbatus)

因此,由于该系统基于正反馈(当其他个体使信息素路径更“明显”时)和负反馈(信息素蒸发,该路径对其他个体而言变得不那么明显),因此蚂蚁的轨迹会自我组织,最终,它们会开始沿着最短的路径移动。

蚂蚁和机器人


今年,有关蚁群的另一项研究广为人知,其结果被用于机器人技术。 事实是,科学家长期以来对昆虫在挖洞时避免交通堵塞的能力感到惊讶。 他们全都以某种方式组织起来,蚂蚁承受着重担。



在一项新的实验中, 专家检查了 30种火蚁(Seleenopsis invicta)的行为。 在创建巢的过程中,它们会将负载(土壤颗粒)带出。 最初,隧道中出现了交通堵塞,但是随着时间的流逝,蚂蚁学会了等到通道通畅后,他们才能毫无困难地承担起重担。

科学家研究了蚂蚁行为算法,并使用该算法训练小型机器人。 训练过的机械装置以蚂蚁模型运输货物,机器人开始平稳运行,没有任何问题。 机器人学会了让兄弟们随身携带货物,并按照预定的路线行驶,而不会发生碰撞和特殊的延误。 根据研究的作者,所获得的算法可用于物流,机器人移动以及用于减少交通拥堵的模型。 以前只使用统计模型,但是现在有可能使用蚂蚁使用的机制。

物联网和一个殖民地的蚂蚁分工


几年前进行的另一项实验有助于理解为什么一个物种的蚂蚁决定从其主要群体中分离出来并建立一个新的群体(蜂群具有大致相同的性质)。 因此,一旦蚂蚁开始在巢穴中频繁发生碰撞,碰撞次数就达到了临界值,许多工人“选择”女王的继承人,将其抱起并搬到新的地方(并非所有这些昆虫都这样做)。

科学家认为,允许蚂蚁确定必须与主要殖民地分离的时间的原理将有助于基于来自传感器和特定区域的传感器的数据来确定天气预报的可靠性。 例如,彼此交换信息的传感器可以发送特定令牌,并且中央服务器除了天气观察信息之外,还将在特定位置接收关于特定天气状况的注册数量的信息。 这样的注册越多,基于读数的天气预报就越可靠。

上面为蚂蚁提供的行为模型也与其他社交昆虫有关,包括白蚁,蜜蜂,黄蜂和其他昆虫。 对社交昆虫行为的进一步研究将揭示它们使用的其他“技术”。 其中一些可能对人类有用。 但总的来说,自然界仍然有大量的秘密需要揭露。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN425089/


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