<body>

På slimsporet af det ideelle netværk

At designe det optimale netværk er lidt af en kunst. Et encellet slimdyr kan måske sætte ingeniører på sporet.

Læs hele artiklen som pdf

Slimdyr er meget egoistiske. De lever på skovbunden og finder let den korteste vej fra den ene næringskilde til den næste. Efterlader man nogle syltetøjsklatter på havebordet i flere dage, kan det ske, at man kommer tilbage til et glinsende netværk af grøn-gule tråde, der effektivt forbinder alle krummer og klatter på bordet.

Uden sammenligning i øvrigt forsøger også mange ingeniører at finde den optimale vej gennem netværk. De gør det bare ikke helt så godt, viser det sig. Forskerhold fra både Japan og England har brugt slimdyret Physarum polycephalum til at simulere en løsning for dels strukturen af jernbanenettet omkring Tokyo, dels motorvejsnettet i England, og sammenlignet slimløsningen med de faktisk designede netværk.

Atsushi Tero og hans kolleger fra Hokkaido Universitet i Sapporo, Japan, kan i fagbladet Science vise, hvordan P. polycephalum (PP) spiste sig vej fra Tokyo og gennem 36 forstæder, repræsenteret af 36 havreflager, der var placeret i nøjagtige posi­tioner på en 17 cm bred plade. Ufremkommelige bjerge og bugter i landskabet omkring Tokyo blev simuleret ved hjælp af bestråling, der forhindrede slimdyret i at vokse dér. Det encellede dyr kunne altså kun gro og lave forbindelser der, hvor der var et nogenlunde fladt landskab.

Professor of unconventional computing Andrew Adamatzky fra University of the West of England viste i en artikel sammen med Jeff Jones to måneder tidligere, hvordan slimdyret kan genskabe Englands motorvejsnet, og at en ny motorvej burde gå fra Newcastle til Glasgow.

Forskerne viser, hvordan PP i løbet af få timer udvikler forbindelser, der til forveksling ligner de faktiske transportnetværk. Dets tubuli angiver ikke kun den korteste og mest effektive vej gennem alle byer. Der er også redundante ekstraforbindelser, der ligesom i virkeligheden gør det muligt at undvige i tilfælde af nedbrud på en hvilken som helst anden strækning. Slimdyrene kan med andre ord sagtens konkurrere med transportingeniørernes gennem mange år udviklede design, både hvad angår omkostninger, effektivitet og modstandskraft mod nedbrud.

»Når Physarum spænder over havreflager i sit netværk af protoplasmatiske rør, udføres der en optimal fourageringsstrategi,« forklarer Adamatzky.

»Netværket er bygget til at effektivisere overførslen af næringsstoffer mellem de forskellige dele, til at dække området med et netværk af sensorer, til at minimere skader fra potentielle farer, osv. Slimdyret kan altså bruges som en god biologisk model for udviklingen af transportforbindelser, hvad enten det er jernbaner, motorveje, el-, olie- eller vandledninger,« siger Adamatzky.

Elegant og effektivt
For transportingeniører og netværksdesignere gælder det om at være økonomisk bevidste og balancere service med holdbarhed og effektivitet. Når der er megen trafik, skal man kunne øge kapaciteten og have høj fleksibilitet, og når der er for lidt trafik, kan det gå ligesom med de små jernbaner i Jylland - truet af lukning.

Desværre har det vist sig at være umådeligt svært at beregne optimale designs af netværk ad ren matematisk vej. Men man kan til gengæld finde tilnærmelsesvise løsninger, som er næsten lige så gode. Sådan er det også med slimdyrene, og måske endda bedre, fordi de er selvorganiserede, adaptive, og uden central kontrol. Lokale regler og gentagne processer er nok til at producere løsninger, som er lige så gode som, eller bedre end, hvad matematiske modeller kan præstere for jernbanerne omkring Tokyo. Og meget billigere.

Desuden viser det sig, at de levende systemer indeholder masser af frihedsgrader til at justere cost-benefitraten og til at fremhæve andre ønskede egenskaber såsom fejltolerance, variable belastninger eller øget effektivitet.

Parameterkontrollen er langt nemmere i de levende organismer end i de siliciumbaserede computere, fordi den naturlige udvælgelse har lært dem at være adaptivt selv-optimerende, at have en effektiv fødeindtagelse, minimere energiforbruget og undgå skader.

Langsom udvikling
Spørgsmålet er derfor, hvorfor ingeniører ikke for længst er gået i gang med at kaste slimdyr hen over rutningsprotokoller og topologikontrolkort for mobile, trådløse og andre ad hoc-netværk. Svaret er, at der stadig er alt for store praktiske barrierer.

»Plasmodiet af Physarum er en celle med myriader af cellekerner, med et sofistikeret cytoskelet og hundreder af sammenflettede metabolismer,« forklarer Adamatzky.

»Slimdyrets adfærd er derfor bestemt af mange faktorer, der ligger hinsides vores kontrol eller viden. Selv i det mest simple eksperiment integrerer slimdyret signaler fra egne fotoreceptorer og fra diverse kemo­receptorer. Det kan registrere fugtigheden og pH-værdien af substratet, og der er flere spatio-temporale bølger og andre dynamiske mønstre af elektrisk og kemisk art.«

PP har været studeret af både matematikere, fysikere og kemikere som et eksempel på en organisme, der har en biologisk funktion, der minder om intelligens uden at have et nervesystem. Men selvom eksperimenterne er svære at kontrollere, gøres der små fremskridt hele tiden. Professor Ke Li fra University of Delaware i Newark har for nylig brugt PP til at forbinde trådløse sensorer med hinanden, og vist, at de kan skabe effektive og robuste netværksprotokoller.

Lektor Preben Graa Sørensen fra Københavns Universitet mener dog også, at der er lang vej til at man forstår og kan kontrollere slimdyrets adfærd.

»Der findes grove matematiske modeller baseret på PP's opførsel i simple eksperimenter, som i nogen grad kan forklare observationerne,« siger Graa Sørensen.

»Men man er meget langt fra en forståelse på basis af kemiske reak­tionsnetværk. Det store problem er stadig, hvordan global information om netværket kommunikeres til lokale ændringer. Oscillationer og bølger er måske nøglen til forståelsen.«

Graa Sørensen tvivler derfor på, at et analogt system som PP vil være mere effektivt end en computer til at løse et konkret optimeringsproblem.

»På den anden side demonstrerer PP's strategi, at det kan være langt bedre at optimere det samlede problem i stedet for på forhånd at splitte det op i simplere enkeltproblemer (som at optimere vejføringen mellem et givent sæt af byer) og optimere delene hver for sig,« siger han.

Slægten Physarum hedder på dansk støvknop. Den er hverken et dyr, en plante eller en svamp og går under klassifikationen 'protist', sammen med amøber og visse alger. Biologisk er PP en mangekernet slimklump uden cellevægge, der kan ændre netværket på få timer og derfor reagerer hurtigt sammenlignet med egentlige svampe.

Adamatzky og Jones har spekuleret på, hvorvidt man kunne betragte slimdyret som en biologisk variant af et kemisk reaktions-diffusionssystem, der er indkapslet i en elastisk membran. I så fald (og hvis man kan kontrollere systemet) vil det kunne fungere som en massiv parallelcomputer med flere inputs og outputs, der kan reagere intelligent på eksterne stimuli. Slimdyret kan altså betragtes som en amorf og decentraliseret robot.

De har kaldt denne biorobot for en 'Plasmobot', og kunnet programmere den ved hjælp af lys og elektromagnetiske stimuli. Forskerne har vist, at de komplekse kemiske reaktioner kan fungere som logiske gates, der kan løse grafproblemer (Voronoi-diagrammer), finde korteste afstande, og have hvad man kunne kalde en primitiv hukommelse og beslutningsevne.

Design af nye netværk
Adamatzky og Jones har også forsøgt at placere slimdyret på en vandoverflade sammen med flydende fødekilder for at se, om det stadig danner netværk på samme måde, eller om slimdyret også er i stand til at bevæge fødekilderne i mere fordelagtige retninger. Det viser sig, at slimdyret både kan skubbe og trække i føden, alt efter hvilke lyskilder og kemiske sammensætninger, der dominerer.

Slimdyret kan altså ikke kun finde et tilnærmet optimalt netværk for en given konfiguration, men i princippet også forbedre en given konfiguration af hubs ud fra et givent sæt af randbetingelser.

Man kunne derfor forestille sig, at PP engang i fremtiden vil kunne designe bedre transportnetværk og informere ingeniører om, hvor der bliver brugt uforholdsmæssigt mange ressourcer, og hvor der mangler infrastruktur.

Man kunne måske endda bruge slimdyret som en upartisk dommer i de politiske afgørelser omkring alle de jyske motorveje og jernbaner. Ja, måske ville det endda kunne bruges til at kortlægge de skjulte politiske interessenetværk omkring den slags beslutninger. Men OK - måske findes der nogle ting, som selv slimdyr ikke vil røre ved.

Labels: ,

“På slimsporet af det ideelle netværk”


about


Robin Engelhardt, Copenhagen





search

recent posts

recent comments

archives

labels

Publications



ERGO- naturvidenskabens filosofiske historie (Lindhardt og Ringhof, 2007)


Hazardcard - a learning game
- play, buy and create


Jeg er bevæbnet og har tømmermænd - udvalgte trusselsbreve fra Rigspolitiets arkiv (PeoplesPress, 2008)


Jeg tager bomben med når jeg går - udvalgte trusselsbreve m.m. fra Rigspolitiets arkiv (PeoplesPress, 2009)