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        學(xué)習(xí)螞蟻不堵車

        2010-12-31 00:00:00
        新知客 2010年11期

        螞蟻也會遇到和我們類似的交通問題,雖然它們沒有修筑道路,但它們?nèi)绾卧趽頂D的巢穴和食物之間保持高效率,依然可以給予人類極大的啟發(fā),比如不要亂超車,或是可以將交通作為一個整體來處理。

        螞蟻是地球上數(shù)量最多的動物,它們的大腦是昆蟲綱生物中最大的,大約由25萬個細(xì)胞構(gòu)成。研究人員認(rèn)為,螞蟻比人類更善于管理擁擠的狀況,每個個體在巢穴附近都能高效地移動。人類也許能夠從螞蟻那里獲得交通的啟發(fā)。

        高度組織的切葉蟻

        切葉蟻的日常生產(chǎn)活動是工蟻外出尋找合適的樹葉,簡單切割后運回巢穴,在巢穴中再由其他的工蟻嚼碎制成培養(yǎng)真菌,這些真菌將被作為營養(yǎng)豐富的食物喂給幼蟲。當(dāng)覓食的螞蟻歸來時,它們的大顎中會夾著樹葉,這使得它們的速度比起其他螞蟻要慢很多。在返回蟻巢的過程中,它們還會迎面碰上外出覓食的螞蟻,這使得道路交通狀況更加復(fù)雜。

        然而你永遠(yuǎn)也看不到這些小生物后退或者盲目地嗅來嗅去,到處亂轉(zhuǎn),因為它們在處理自己日常事務(wù)時是有高度組織性和方向性的。法國保羅一薩巴蒂埃入學(xué)的昆蟲學(xué)家Audrey Dussutour博士說:“它們永遠(yuǎn)不會發(fā)生交通堵塞,我們應(yīng)該借鑒它們的規(guī)則?!盌ussutour博士對螞蟻進(jìn)行研究已有8年時間,她從未見到過螞蟻會發(fā)生交通堵塞,即使她試著干擾它們,Dussutour博士在較早的研究中還發(fā)現(xiàn)切葉蟻在寬闊的通路上相向行進(jìn)時,攜帶樹葉的和空著手的螞蟻會自動聚在一起形成一串。

        永遠(yuǎn)不超車

        2009年Dussutour博士的研究組得出了進(jìn)一步的研究成果:在狹窄的道路中,離開蟻巢的螞蟻會自動為那些帶著樹葉返回的螞蟻讓路。而返回的螞蟻中,那些空手而歸的螞蟻盡管可以比那些帶著葉片的兄弟們速度快,但它們并不會超過去,而是跟在攜帶葉片的螞蟻后面,排起了長隊。

        當(dāng)前面是一輛行駛緩慢的貨車時,你會愿意減速嗎?“切葉蟻的路況實際上很像公路交通,”Dussutour博士說,“在高速公路上我們都曾經(jīng)被卡在大貨車后面,但很多時候,超車并不是最好的選擇?!?/p>

        這看起來是種違反直覺的選擇,但卻是有效的。當(dāng)切葉蟻在一條很窄的路上相向而行并相遇時,必須有一方的螞蟻繞到道路的側(cè)面,等待對面的螞蟻經(jīng)過,才回到路面上來。如果切葉蟻像人類那樣各自行進(jìn),將大大增加相遇的次數(shù),這將導(dǎo)致昆蟲的大堵車。據(jù)Dussutour等人計算,空手的螞蟻個體在橫穿一個3米長的擁擠路橋時,如果它等在慢速的行進(jìn)隊伍中而不試圖超車,將花費32秒通過這段路橋;而如果它超過速度慢的同伴,所花費的時間將達(dá)到64秒,也就是說,個體的耐心使團(tuán)體的效率提高了一倍。

        德國螞蟻如何運用路網(wǎng)

        德國德累斯頓技術(shù)大學(xué)的Dirk Helbing博士是一位頂尖的物理學(xué)家、集體智慧專家,他的研究小組曾經(jīng)著手于螞蟻們是如何分配道路資源的問題。

        他們設(shè)計了一條“螞蟻高速公路”,這條公路用兩條不同寬度的路線將蟻巢與食物連接起來。覓食的螞蟻從食物那里返回蟻巢后,便有更多的螞蟻前往食物那里。較窄的路線很快便開始變得擁擠。這時,如果一只螞蟻沿著擁擠的路線返回巢穴,在道路的分岔口處迎面碰上另一只剛剛出發(fā)的螞蟻,前者便會將新來者推到另外的路線上去。不過,如果螞蟻返回時的旅程足夠通暢,它就不會再迫使后來者重新定向。這一過程的結(jié)果是,在最短的路線形成堵塞之前,螞蟻們便被分散到其他的路線上,這樣便最大限度地利用了道路網(wǎng)的運行潛力。

        長期以來,人們著迷于蟻巢中螞蟻的組織能力,因為一個蟻巢的復(fù)雜程度可與任何大城市的實際建筑圖紙媲美,螞蟻們向我們展示了如何優(yōu)化個體行為以服務(wù)于集體利益,并最終使個體受益。在交通進(jìn)行中,它們似乎是憑借本能切換路線,使個體的流動遵循最有效率的方式。已有科學(xué)家根據(jù)螞蟻運動歸納出的算法,將其應(yīng)用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸,或者是開發(fā)基于螞蟻交通算法的自動駕駛車輛運行系統(tǒng)。

        去掉人類的利己主義因素

        “人類交通的一個決定性因素是利己主義,”科隆大學(xué)交通流量理論學(xué)家Andreas Schadschneider教授說,“駕駛員制定自己的出行計劃時,并不會考慮別人的需求,這導(dǎo)致了一些不應(yīng)出現(xiàn)的交通擁堵。而螞蟻不是這樣?!眱?yōu)化理論是理解人類與螞蟻的導(dǎo)航選擇方式之間差異的另一個出發(fā)點,他說。在人類的交通中,“本質(zhì)上是出于用戶最優(yōu),而在螞蟻的交通中則是系統(tǒng)最優(yōu),這兩者的結(jié)果完全不同的”,并由此產(chǎn)生了不同的行為模式。

        如果要向螞蟻學(xué)習(xí),“我們首先必須把車輛的控制權(quán)交給一個集體的智能系統(tǒng),系統(tǒng)將控制所有車輛從出發(fā)地向目的地移動”,澳大利亞邦德大學(xué)的軟件數(shù)學(xué)家Marcus Randall說。人們可能會不大情愿,但行駛過程中幾乎不會發(fā)生意外,旅途本身將變得舒適高效。這樣一個思路等于是完全取消了人對道路的控制權(quán),將一切需求交托給一個智能路網(wǎng)去滿足,比如你只要告訴路網(wǎng)你想去哪兒,就有一個交通工具過來把你送到目的地。

        螞蟻們的“云計算”

        螞蟻做決定依靠的是它們服務(wù)于蟻巢的天性和地面交通的實際情況。螞蟻們通過分泌的費洛蒙和彼此之間的身體接觸傳遞信息,海量的信息像云一樣籠罩著螞蟻們,實時為它們傳達(dá)包括交通狀況在內(nèi)的各種信息。

        科學(xué)家們幾十年的研究也未能揭開螞蟻的信息交換之謎。但參與Dussutour博士研究的共同作者,伊利諾斯大學(xué)的昆蟲學(xué)家Sam Beshers表示,“我們的證據(jù)有力地證明了進(jìn)出工蟻間的碰面是很重要的,它們管理的不僅僅是交通流,也包括信息流,盡管我們目前只知道這一點,但這具有很重要的潛在價值。

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