Ο απλός αλγόριθμος που χρησιμοποιούν τα μυρμήγκια για να χτίσουν γέφυρες

Τα μυρμήγκια του στρατού σχηματίζουν αποικίες εκατομμυρίων αλλά δεν έχουν μόνιμη κατοικία. Βαδίζουν μέσα στη ζούγκλα κάθε βράδυ σε αναζήτηση νέου εδάφους αναζήτησης τροφής. Στην πορεία εκτελούν υλικοτεχνικά κατορθώματα που θα έκαναν περήφανο έναν στρατηγό τεσσάρων αστέρων, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής γεφυρών με τα δικά του σώματα.

Όπως τα σμήνη των φτηνών, ανόητων ρομπότ που εξερεύνησα στο πρόσφατο άρθρο μου, τα μυρμήγκια του στρατού διαχειρίζονται αυτόν τον συντονισμό χωρίς ηγέτη και με ελάχιστους γνωστικούς πόρους. Ένα μεμονωμένο στρατιωτικό μυρμήγκι είναι πρακτικά τυφλό και έχει έναν μικροσκοπικό εγκέφαλο που δεν μπορούσε να αρχίσει να κατανοεί την περίτεχνη συλλογική του κίνηση. «Δεν υπάρχει ηγέτης, κανένα μυρμήγκι αρχιτέκτονα που να λέει «πρέπει να χτίσουμε εδώ», είπε ο Simon Garnier, διευθυντής του Swarm Lab στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Νιου Τζέρσεϊ και συν-συγγραφέας μιας νέας μελέτης που προβλέπει πότε μια αποικία μυρμηγκιών στρατού θα αποφασίσει να χτίσει μια γέφυρα.

Η μελέτη του Garnier βοηθά να εξηγήσει όχι μόνο πώς τα ανοργάνωτα μυρμήγκια χτίζουν γέφυρες, αλλά και πώς αναλαμβάνουν το ακόμη πιο περίπλοκο έργο του προσδιορισμού ποιες γέφυρες αξίζει να χτιστούν καθόλου.

Για να δείτε πώς εξελίσσεται αυτό, πάρτε την προοπτική ενός μυρμηγκιού στην πορεία. Όταν πρόκειται για ένα κενό στην πορεία του, επιβραδύνει. Η υπόλοιπη αποικία, που εξακολουθεί να κυλάει με ταχύτητα 12 εκατοστών το δευτερόλεπτο, έρχεται πατώντας πάνω από την πλάτη της. Σε αυτό το σημείο, μπαίνουν δύο απλοί κανόνες.

Το πρώτο λέει στο μυρμήγκι ότι όταν αισθάνεται άλλα μυρμήγκια να περπατούν ανάσκελα, θα πρέπει να παγώσει. "Όσο κάποιος περπατά από πάνω σου, εσύ μένεις στη θέση σου", είπε ο Garnier.

Αυτή η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται και στα άλλα μυρμήγκια:Περνούν πάνω από το πρώτο μυρμήγκι, αλλά —ω-ω— το κενό είναι ακόμα εκεί, οπότε το επόμενο μυρμήγκι στη σειρά επιβραδύνεται, ποδοπατιέται και παγώνει στη θέση του. Με αυτόν τον τρόπο, τα μυρμήγκια χτίζουν μια γέφυρα αρκετά μακριά ώστε να καλύπτει όποιο κενό βρίσκεται μπροστά τους. Στη συνέχεια, τα μυρμήγκια που ακολουθούν στην αποικία περπατούν από πάνω της.

Ωστόσο, υπάρχουν περισσότερα από αυτό. Οι γέφυρες περιλαμβάνουν συμβιβασμούς. Φανταστείτε μια αποικία μυρμηγκιών να έρχεται σε ένα κενό σχήματος V στο πέρασμά της. Η αποικία δεν θέλει να κάνει όλη τη διαδρομή γύρω από το κενό - αυτό θα έπαιρνε πολύ χρόνο - αλλά επίσης δεν χτίζει μια γέφυρα στο ευρύτερο τμήμα του κενού που θα ελαχιστοποιούσε το πόσο μακριά πρέπει να διανύσει η αποικία. Το γεγονός ότι τα μυρμήγκια του στρατού δεν χτίζουν πάντα τη γέφυρα ελαχιστοποίησης της απόστασης υποδηλώνει ότι υπάρχει κάποιος άλλος παράγοντας στον ασυνείδητο υπολογισμό τους.

«Στην οικολογία, όταν βλέπεις κάτι τέτοιο, συνήθως σημαίνει ότι υπάρχει αντιστάθμιση κόστους-οφέλους», είπε ο Garnier. «Προσπαθείτε να καταλάβετε:Ποιο είναι το όφελος και ποιο το κόστος;»

Το κόστος, πιστεύουν οι οικολόγοι, είναι ότι τα μυρμήγκια παγιδευμένα σε γέφυρες δεν είναι διαθέσιμα για άλλες εργασίες, όπως η αναζήτηση τροφής. Ανά πάσα στιγμή σε μια πορεία, μια αποικία μπορεί να διατηρεί 40 έως 50 γέφυρες, με μόλις μία και έως και 50 μυρμήγκια ανά γέφυρα. Σε ένα έγγραφο του 2015, ο Garnier και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ότι έως και το 20 τοις εκατό της αποικίας μπορεί να κλειδωθεί σε γέφυρες κάθε φορά. Σε αυτό το σημείο, μια πιο σύντομη διαδρομή απλά δεν αξίζει τα επιπλέον μυρμήγκια που θα χρειαζόταν για τη δημιουργία μιας μεγαλύτερης γέφυρας.

Εκτός, φυσικά, από τα μεμονωμένα μυρμήγκια δεν έχουν ιδέα πόσα από τα σύντροφά τους σε αποικίες κρατούν γερά πάνω από ένα κενό. Και εδώ είναι που ξεκινά ο δεύτερος κανόνας. Καθώς τα μεμονωμένα μυρμήγκια εκτελούν τον αλγόριθμο «γέφυρας», έχουν μια ευαισθησία στο να τυπωθούν. Όταν η κίνηση πάνω από την πλάτη τους είναι πάνω από ένα ορισμένο επίπεδο, διατηρούνται στη θέση τους, αλλά όταν πέφτει κάτω από κάποιο κατώφλι —ίσως επειδή πάρα πολλά άλλα μυρμήγκια απασχολούνται τώρα στο χτίσιμο της γέφυρας— το μυρμήγκι ξεπαγώνει και επανέρχεται στην πορεία.

Αυτό το νέο έγγραφο προέκυψε από πειράματα που διεξήχθησαν με μυρμήγκια στρατού στη ζούγκλα του Παναμά το 2014. Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο που ποσοτικοποιεί την ευαισθησία των μυρμηγκιών στην κίνηση των πεζών και προβλέπει πότε μια αποικία θα γεφυρώσει ένα εμπόδιο και πότε θα αποφασίστε, κατά μία έννοια, ότι είναι καλύτερο να πάτε γύρω.

"Προσπαθούμε να καταλάβουμε αν μπορούμε να προβλέψουμε πόσα μυρμήγκια συντόμευσης θα κάνουν, δεδομένης της γεωμετρίας του περιβάλλοντός τους", είπε ο Garnier.

Η Evolution έχει φαινομενικά εξοπλισμένα στρατιωτικά μυρμήγκια με τον σωστό αλγόριθμο για την κατασκευή γέφυρας εν κινήσει. Οι ερευνητές που εργάζονται για να δημιουργήσουν σμήνη από απλά ρομπότ εξακολουθούν να αναζητούν οδηγίες που θα επιτρέψουν στις φτηνές μηχανές τους να εκτελούν παρόμοια κατορθώματα. Μια πρόκληση με την οποία πρέπει να αντιμετωπίσουν είναι ότι η φύση κάνει τα μυρμήγκια πιο αξιόπιστα και με χαμηλότερο κόστος από ό,τι οι άνθρωποι μπορούν να κατασκευάσουν σμήνη-ρομπότ, των οποίων οι μπαταρίες τείνουν να πεθαίνουν. Το δεύτερο είναι ότι είναι πολύ πιθανό να υπάρχει περισσότερη συμπεριφορά μυρμηγκιών που κυβερνά παρά δύο απλοί κανόνες.

«Περιγράφουμε τα μυρμήγκια του στρατού ως απλά, αλλά δεν καταλαβαίνουμε καν τι κάνουν. Ναι, είναι απλά, αλλά ίσως δεν είναι τόσο απλά όσο νομίζουν οι άνθρωποι», δήλωσε ο Melvin Gauci, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που εργάζεται στη ρομποτική σμήνων.