據(jù)美國《連線》雜志網(wǎng)站報(bào)道，你是否曾經(jīng)注意過螞蟻是如何外出覓食的？這樣的問題對于一般人而言似乎顯得有些莫名其妙，但是對于生態(tài)學(xué)家和動物行為學(xué)家而言這一點(diǎn)卻非常關(guān)鍵和有趣。尤其是在明確知道螞蟻們實(shí)際上并沒有統(tǒng)一的中央指揮調(diào)度系統(tǒng)的前提之下便更是如此。
對蟻群行為的研究正為人類社會的工程學(xué)研究提供啟發(fā)
通過簡單的信息交換，蟻群成功應(yīng)對不斷變化的外部世界的挑戰(zhàn)。它們采用的網(wǎng)絡(luò)體系可以非常迅速方便的修復(fù)，并且可以隨時(shí)擴(kuò)大或縮減規(guī)模 有一點(diǎn)非常讓人感興趣，那就是螞蟻們的組織方式與人類社會所采用的一些工程解決方案之間的高度相似性。其中一個案例便是所謂的“螞蟻網(wǎng)絡(luò)”(Anternet)。美國斯坦福大學(xué)的一個研究組發(fā)現(xiàn)沙漠螞蟻們在外出覓食時(shí)采用的組織方式與人類社會在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面所采用的，旨在規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP協(xié)議之間存在算法方面的高度相似性——螞蟻網(wǎng)絡(luò)和人類使用的信息網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)都采用了正反饋機(jī)制：在TCP傳輸協(xié)議中，一個數(shù)據(jù)包的抵達(dá)確認(rèn)信號會激發(fā)下一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送開始，而一只滿載而歸的螞蟻個體則會觸發(fā)下一只覓食的螞蟻個體出發(fā)繼續(xù)覓食的工作。這些研究不禁讓我們驚嘆于螞蟻們的高度智慧——它們竟然能夠發(fā)明出與人類相媲美的復(fù)雜精妙的系統(tǒng)。但是這種相似性還不是螞蟻網(wǎng)絡(luò)給與我們的最令人興奮的地方，關(guān)鍵的部分在于，還有沒有哪些是螞蟻們一直在采用的精妙方法，但是我們?nèi)祟悈s還沒有意識到的？換句話說，螞蟻們是否能夠給予我們工程學(xué)界未來的走向以啟迪？ 在大約1.3億年的演化歷程中，進(jìn)化的過程讓螞蟻網(wǎng)絡(luò)經(jīng)受了在不斷變化和嚴(yán)苛環(huán)境條件下的考驗(yàn)。螞蟻們會利用簡單的基于簡短互動的網(wǎng)絡(luò)來達(dá)成對不斷變化的網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)。在整個螞蟻群體中，單個的螞蟻都不知道接下來到底要做什么，去哪里。它們只是機(jī)械的按照之前跟另一只螞蟻相互碰觸的觸須，或者地面上留下的信息素執(zhí)行自己的動作并選定路徑。然而正是這種看似簡單機(jī)械的機(jī)制確保了螞蟻們的生存，現(xiàn)在全世界有超過1.1萬種螞蟻種類，幾乎分布于地球表面所有可以生活的地方。因此這樣有效的螞蟻網(wǎng)絡(luò)，必定有一些值得我們學(xué)習(xí)借鑒的地方。 如何應(yīng)對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的高成本？ 沙漠螞蟻需要外出采集水分來源，但是在炙熱的陽光下在沙漠中奔走本身也會耗費(fèi)大量水分。冒著酷熱搬回來一些含水的食物之后它們便能夠從中攝取水分。蟻群會評估成本，它們會比較得失，如果外出的水分成本耗費(fèi)太高，那么反饋機(jī)制將讓它們放棄外出，將食物就留在地面上不去理會，直到空氣中的濕度條件稍稍合適之后才會觸發(fā)前往采集。 和這種做法相似，人類社會在計(jì)算機(jī)TCP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中也能找到類似的做法：當(dāng)缺乏足夠帶寬時(shí)，協(xié)議會阻止額外數(shù)據(jù)包的發(fā)送，因?yàn)槿绻麕挷蛔悖闼l(fā)送的信息有可能會丟失，因此總一開始就不應(yīng)當(dāng)進(jìn)行發(fā)送，除非可以確認(rèn)其可以抵達(dá)目的地。 在過去的25年間，一個研究小組一直致力于了解螞蟻網(wǎng)絡(luò)的算法技術(shù)是否會隨著時(shí)間或環(huán)境等條件的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。他們對超過300個螞蟻群落進(jìn)行跟蹤觀察，并使用基因技術(shù)觀察哪些蟻群最終能夠產(chǎn)生最多的后代(發(fā)展的最成功)。 蟻群會在它們的蟻巢里儲備食物作為一種生存策略。25年的研究結(jié)果顯示，那些每到天氣太熱就會放棄外出轉(zhuǎn)而在蟻巢里避暑的一群獲得了更大的成功。因此規(guī)避便成了一種蟻群層面的最佳策略——那就是，在沙漠地區(qū)的蟻群中間，要想獲得長期的生存，螞蟻們的做法并不是去改變或優(yōu)化它們的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，而是選擇在合適的時(shí)機(jī)外出而不額外浪費(fèi)資源。 當(dāng)面對食物匱乏等不利條件時(shí)，螞蟻系統(tǒng)的解決方案精髓是最小化運(yùn)行成本，而不是立即尋求加大食物的儲備。這種做法對于任何一個體系而言都是最可以持續(xù)的方案——不管具體的對象是沙漠螞蟻群落還是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送，即達(dá)成長期意義上的穩(wěn)定性，并避免造成不必要的浪費(fèi)。 大型和小型系統(tǒng) 但是如果系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大之后，將會怎樣？正如人類的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一樣，螞蟻群落系統(tǒng)也必須面對群落規(guī)模擴(kuò)大之后的管理問題，這一系統(tǒng)必須可以接受局部的失效。 由于大規(guī)模系統(tǒng)必須允許出現(xiàn)一些偏差和錯誤，因此最佳的解決方案便是，讓群體中每一個個體產(chǎn)生的貢獻(xiàn)超過其自身對群體造成的損失以及撫養(yǎng)一個新生個體所要付出的成本。因此，在一個大規(guī)模系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)便是冗余設(shè)計(jì)以及最小化信息量——在巨大的蟻群中，這種極高效率的選擇是通過這樣一種方式實(shí)現(xiàn)的，即大量的交流是通過兩只互相陌生的螞蟻個體之間簡單的觸須碰觸實(shí)現(xiàn)的，非常迅速，沒有額外的信息交流。 在工程領(lǐng)域我們同樣在尋找方法確保產(chǎn)出的可靠性，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，我們不斷尋找有效率的，便宜的解決方案，而螞蟻群落的做法給我們的啟示是，有時(shí)候容忍某些不完美可能卻恰恰是通往最佳解決方案的途徑。 先到先得的策略 螞蟻算法的多樣性顯示出進(jìn)化過程對于不同環(huán)境限制因素的響應(yīng)。由于蟻群之間存在相互競爭，并且很多時(shí)候它們在覓食時(shí)所選定的目標(biāo)可能會是同一個食物，那么這時(shí)候誰先到誰就有可能贏得先機(jī)。 但是在一個沒有中央指揮體系的系統(tǒng)中，又該如何達(dá)成最先抵達(dá)的目標(biāo)呢？對于這個問題的解決方法是蟻群必須設(shè)法在最大的面積上幾乎在任何時(shí)間點(diǎn)都有本蟻群的成員在搜尋，這樣一來，不論在任何地點(diǎn)出現(xiàn)食物，就可以有最大的可能性在其附近有本群的螞蟻成員在巡邏，可以及早發(fā)現(xiàn)。 但是如果沒有中央統(tǒng)一的調(diào)度系統(tǒng)，你又該如何進(jìn)行這樣的統(tǒng)一布置呢？蟻群所采用的一種方案是建立一些永久性的固定巡邏路線，就像是我們的手機(jī)信號塔，螞蟻們會固定的沿著這些道路進(jìn)行巡視。極具攻擊性的阿根廷蟻在這方面非常擅長，它們可以及時(shí)找到任何你掉在地上的面包屑。 阿根廷蟻還會調(diào)整自己的巡視路線，當(dāng)身邊還有其它許多同伴時(shí)，它們會采用一種近乎是隨機(jī)的路線選擇，從而讓每一只螞蟻對一小塊區(qū)域進(jìn)行徹底的搜查，而當(dāng)處于陌生區(qū)域，并且同伴的數(shù)量較少時(shí)，它們則傾向于采取直行路線，從而確保數(shù)量較少的蟻群得以覆蓋更大的范圍。就像一個情報(bào)反饋系統(tǒng)，隨著每一只螞蟻個體對局部低點(diǎn)信息情報(bào)的反饋，整個蟻群逐漸掌握有關(guān)整個體系的完整信息，而在這一過程中并沒有任何中央統(tǒng)一調(diào)度體系的干預(yù)。 對抗安全漏洞和疾病 如前所述，當(dāng)數(shù)以百計(jì)的蟻群相互接近，此時(shí)資源就會顯得緊張，各個蟻群之間將會出現(xiàn)對食物等資源的爭奪，這樣做必然就會導(dǎo)致出現(xiàn)安全問題上的顧慮。對此，蟻群相應(yīng)的進(jìn)化出了對入侵的偵測并對安全漏洞做出響應(yīng)的機(jī)制。 一個蟻群可能會盜用或竊取其它蟻群留下的信息，從而找到其它蟻群率先找到的食物，比如它們會探測其它蟻群留下的化學(xué)蹤跡信息并追蹤這些信息。蟻群對此采取的策略并不是徹底的防止入侵行為的發(fā)生，而是發(fā)展出一套根據(jù)入侵規(guī)模大小而并與之對應(yīng)的應(yīng)對體系。 這種行為對于計(jì)算機(jī)信息安全領(lǐng)域同樣具有啟發(fā)性，我們或許不應(yīng)追求完美，我們所要做的應(yīng)當(dāng)是在局部范圍內(nèi)對威脅做出評估并采取行動消除入侵。蟻群已經(jīng)找到一種有效途徑，對入侵行為做出響應(yīng)，而在此過程中并沒有更高一級中央調(diào)度系統(tǒng)的介入。人類社會目前正在顯現(xiàn)一些運(yùn)用相似設(shè)計(jì)思想的安全系統(tǒng)。 另外蟻群還有一整套的危機(jī)應(yīng)對機(jī)制，如那些常常在樹上覓食的螞蟻種類，有些樹木的樹枝非常容易折斷，這樣就會引起蟻群的損失。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種危機(jī)并做出響應(yīng)，蟻群會以一個環(huán)圈的形式前行，這樣就會有兩個方向的信息流連續(xù)的交換。當(dāng)發(fā)生樹枝折斷，一個方向的信息流中斷，蟻群便會立即意識到危機(jī)的發(fā)生并著手重建環(huán)圈網(wǎng)絡(luò)。 相似的，早期的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)常常會由于農(nóng)場或建筑施工等原因被挖斷，這樣的后果是嚴(yán)重的，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致一個半局部地區(qū)的信息通訊中斷。不過工程師們很快想出了解決方案，他們參考蟻群的做法，環(huán)圈通訊網(wǎng)絡(luò)將能確保更加迅速和有效地修復(fù)損傷。 有一點(diǎn)是可以肯定的，那就是在未來我們的工程信息網(wǎng)絡(luò)還將繼續(xù)演化發(fā)展。工程師們將會繼續(xù)研究蟻群在解決一些重大問題時(shí)的方案，它們所使用的算法將會繼續(xù)給予人類以改進(jìn)設(shè)計(jì)的靈感。 通過簡單的信息交換，而不是我們目前所采用的復(fù)雜反饋體系，蟻群成功應(yīng)對不斷變化的外部世界的挑戰(zhàn)——比如不定時(shí)出現(xiàn)又隨時(shí)會消失的食物來源。它們采用的網(wǎng)絡(luò)體系可以非常迅速方便的修復(fù)，并且可以隨時(shí)擴(kuò)大或縮減規(guī)模。 在歷史上，蟻群帶來的啟示已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)和其它設(shè)計(jì)領(lǐng)域。盡管單個的螞蟻可能是懶散的，毫無思想和徹底愚蠢的，但是一旦置于一個龐大完整的蟻群體系之下，我們則有必要學(xué)習(xí)其組織方式和體系——螞蟻們在漫長的演化過程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種高度的協(xié)同體系，在這一方面我們望塵莫及。(晨風(fēng)) |
