пчелы? Большой. Муравьи? Пан или пропал. Слизневые амебы? Потерпеть неудачу. Хотя природа предлагает превосходные дизайнерские идеи для некоторых систем информационных технологий, в других системах она может быть просто бомбой.
Известный своей работой над алгоритмом медоносной пчелы, который укротил нестабильность веб-трафика на серверах, имитируя поведение пчелиных колоний, системный исследователь Крейг Тови видел множество вдохновленных природой технологических подвигов, но также и недостатков. Он поделится ими в своем выступлении в воскресенье, 18 февраля, на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки в Остине, штат Техас.
В 2016 году вдохновленный пчелами алгоритм принес Тови и его сотрудникам премию «Золотой гусь», которая поощряет исследования, основанные на любопытстве, по мере того, как они приносят ощутимую пользу обществу. Алгоритм Honey Bee, например, значительно снизил затраты на веб-хостинг.
«Нам повезло с пчелами и веб-хостингом», - сказал Тови, который надеется, что наряду с практическими выводами о естественных технологиях его аудитория также разделит его собственный трепет и любовь к решениям природы.
Когда алгоритмы вечны
«Когда вы изучаете роение пчел, вы открываете для себя истины, которые непреходящи. Алгоритмы, которые управляют ими, развивались в течение миллионов лет и, надеюсь, будут существовать еще миллионы лет», - сказал Тови, соавтор директор Центра биологически вдохновленного дизайна Технологического института Джорджии.«Сравните это с тем, когда вы разрабатываете новую микросхему. Три года спустя она исчезла, навсегда потеряна; ее заменили новые конструкции».
Уместно ли подражание природе в конкретной инженерной работе, во многом зависит от решаемой проблемы. Часто лучше использовать что-то готовое или адаптировать.
«Когда реальная проблема статична и четко определена с предсказуемыми данными, тогда методы, вдохновленные природой, обычно намного слабее, намного хуже, чем классические методы оптимизации», - сказал Тови.
Когда лучше скучно
Типичный пример - «Задача коммивояжёра». Исследователь пытается вычислить наилучшие пути, по которым должен пройти пресловутый продавец, и в каком порядке посетить сотни, тысячи или десятки тысяч пресловутых городов на карте.
Цель состоит в том, чтобы преодолеть кратчайшее возможное общее расстояние.
«Подходы, вдохновленные природой, найдут хорошие решения для 100 или около того городов, но не оптимальные», - сказал Тови, который также является профессором и научным сотрудником факультета Стюарта в Школе промышленной и системной инженерии Стюарта Технологического института Джорджии.«Напротив, лучшие исследователи могут оптимально решить 20 000 или 50 000 местоположений с помощью классического алгоритма, и сделать это очень быстро».
Когда муравьи промахиваются и бьют
"Люди подражали муравьям, чтобы найти оптимальные пути через статическую систему, и если сравнить этот метод с классическими методами оптимизации, то классические методы примерно в 10 миллиардов раз лучше."
Но жизнь непостоянна, что может сделать его отличным учителем в науке и технике. «Каждое живое существо очень хорошо решает ряд различных проблем, иначе оно бы вымерло», - сказал Тови.
Добавьте непредсказуемость в инженерную проблему, и естественные алгоритмы, которые управляют движениями муравьев или пчел, будут лучше приспособлены для решения, чем классические решения.
В задаче о коммивояжере города не перемещаются. Но когда вы преследуете движущуюся цель, а ваши данные не совсем полны, вы можете добиться большого успеха, имитируя стаи насекомых. Вы можете получить контроль над данными в режиме реального времени буквально на лету», - сказал Тови.
Когда пчелы знают лучше
Это очень много значит. Когда надвигается ураган, люди гораздо чаще проверяют свои погодные приложения, поскольку буря надвигается. Когда рынки падают, люди продают акции, а данные передаются с финансовых серверов и обратно.
«Если бы модели запросов пользователей в Интернете никогда не менялись, а запросы к серверу всегда оставались бы одинаковыми, все было бы хорошо без имитации медоносных пчел», - сказал Тови. «Но эта идея смехотворна, как мы все знаем».
"Пчелы эволюционировали, чтобы иметь дело с цветочными участками, которые имеют изменяющиеся характеристики. Участок, который хорошо посещать в 10 часов утра, может закрыть свои цветы в час дня, или может идти дождь."
Алгоритмы, управляющие поведением пчел, заставляют рои насекомых приспосабливаться к потокам спроса и предложения, подобным тем, которые противостоят веб-серверу. Медоносные пчелы дали Тови и его коллегам-исследователям ценную информацию для их алгоритма веб-хостинга.
Когда слизь проваливается, но поражает
Хотя классические алгоритмы превосходят природу в простых ситуациях, наблюдение за естественными алгоритмами даже в простейших организмах может вызывать благоговейный трепет. Возьмите слизевика, неклеточный организм, родственный амебам.
"Если вы положите рядом с ним кусочки еды, слизевики вытянутся, чтобы добраться до комочков и соединить их друг с другом."
Плесень образует очень эффективные соединения, которые хорошо адаптируются к различным комбинациям пищевых мазков.
Некоторые исследователи размещали источники пищи в местах, соответствующих расположению городов в Японии, которые были соединены железнодорожными линиями, и, конечно же, слизевики в конечном итоге остановились на конфигурации, соединяющей точки, которая почти идеально соответствовала железнодорожной сети. что на самом деле соединяло города», - сказал Тови.
Опять же, классические алгоритмы справляются со своей задачей лучше, но, тем не менее, эта слизь просто потрясающая.
При всем своем благоговении перед пчелами, Тови был вынужден избегать знакомства с ними лично и доверить заботу о пчелах своим сотрудникам. «У меня и всей моей семьи сильная аллергия на пчелиные укусы», - сказал Тови. «Мы держим EpiPen дома».