复杂系统中央指挥和控制的好处通常是显而易见的。与大脑连通的眼睛和腿让我们直线行走。但这种类型的人造或天然系统有时遭受急性脆弱性。在最近的部分政府关闭期间,美国社会经济活动的重要地区的瘫痪给出了一个国家会发生的事情’S中央控制单元突然关闭。神经变性疾病中脑细胞的死亡,灭火’S控制器,展示了生物系统中的弱点。

避免系统的中央控制具有其优点。没有一个“brain”指导行动意味着个体部件的损失对集体的行为几乎没有影响。由乔治华盛顿大学的物理学家尼尔约翰逊领导的团队开发了一种在飞幼虫的分散系统的模型,成功地模仿了他们的运动。这 学习,2月6日出版 科学推进 显示该模型在其各个部件是最佳状态 较少的 capable—更简单的组件使整体系统更有效。相比之下,随着它们的组成部分经历改进,集中式系统功能更好。研究人员认为,这种洞察力有可能向一切通报从自主车辆设计到治疗组织结构的神经疾病。它甚至可能对理解进化过程有影响。

分散控制本质上是比比的,并在细菌中发现,粘液模具和蚁群。约翰逊从观察中获取灵感,因为它们的神经元电路的简单性,在运动期间,果蝇(果蝇)幼虫的个体段以半独立的方式行动。这代表了单一生物体中分散控制的一个例子,而不是“swarm intelligence”由蜜蜂或其他集体实体显示。尽管缺乏其零件的中心协调,但幼虫总是达到朝向优​​选温度的目标—称为Thermotaxis的过程。

幼虫通过收缩波提伸自己。当细分在一侧扩展并在另一侧延伸时,它们会变成。温度传感神经元确定段移动,这些运动的组合效果决定了转角。“幼虫的协调有类似的方式来实现人群坐标如何移动到出口,” Johnson says. “It’s not that everybody’它互相打电话,它’就在那里,给出了外部信息’这种集体植绒行为。”

研究人员创建了一种数学模型,可以使用独立组件再现幼虫的运动,或者“agents,”将过去运动的结果存储在内存中(定义为1,如果结果与目标方向更好地对齐模型,则为0如果没有)。通过参考一组,每个代理选择下一个动作(左/右转)的历史“strategies,”这与不同的转向方向相关的不同过去的结果集。研究人员将所有可能的策略的不同子集分配给不同的模型代理,对应于幼虫中的半独立段,使它们表现出稍微不同—每个人都选择了每一步的最佳策略。该团队发现这种模型产生了爬行轨迹,看起来像来自幼虫的真实数据,说服他们捕获了真实系统的本质。“It’真的很酷,它如何与果蝇相匹配,”表示,Santa Fe Institute的Mathematician David Wolpert没有参与该研究。“It’在理解这些问题方面,一个非常干净的研究,向前迈出了良好的一步。”

关键发现涉及代理规模的变化’记忆。内存容量非常小,模型表现不佳—但由于内存超过一定规模,其性能也在逐渐变得更糟。

研究人员使用“crowd/anticrowd”理论,一种数学陈述如何表达音乐会的独立代理商。当内存容量小,大群代理形式,全部推动相同的方向。他们首先做出大转,然后突然转回另一个方向,产生夸张的曲折运动。如果代理人的内存太多,人群会陷入困境,以长期的成果决定的策略,而不是足够的最近的信息陈述,这表明他们已经转向了课程。

这些极端之间的甜蜜点使用相反的策略产生中等大小的人群,类似于划船的每一半,将桨放入船上的两侧的水中。“当你增加内存时,它’等同于过度思考,” Johnson says. “You’重新历史太多,从过去加强了偏见。”Wolpert说,有时有时会看到类似的效果。“当人们预测股市[从一系列过去的价值观]时,他们’小心不要看起来过去太多了,” he says. “It’杂乱;它使学习问题更难。”

该团队声称该工作可能提供了一种新的思考方式,即进化如何从分散的自然设计跳跃,如细菌,以利用人类生物中的集中计划。含义是,在分散的设计中可能有一个限制“smart”组件可以在不切换到集中设计的情况下。该集团下次计划调查幼虫的爆炸’具有激光器的神经元电路(有点像脱离单个划艇)影响运动。该团队还希望探索模型’通过使两个划花器相当于将两个划花器一起进行,或者在漫狼中的超级记忆中滴下来的行为。最终,约翰逊希望能够追求可能的医疗影响。未来的研究将探索对某些肌肉的有限反馈是否有限(例如,根据他们是否已过时其目标)可以帮助抑制因帕金森等条件中大脑的控制信号受损的震荡引起的’s. “We’LL在赠款申请中精确地用一般运动神经元疾病做到这一点,” Johnson says. “We don’知道它是否是实际的,但我想我们’ve shown it’理论上是可能的。”

应用该研究的其他领域包括自主车辆设计和组织性能。然而,Wolpert谨慎态度。他说,该研究没有将模型与任何其他模型进行比较,因此我们毫无谈到分散的电力集中控制的相对优点。他注意到工程系统可以简单地通过重复来减轻单个控制器的漏洞。在其中不适用的一个场景是在作为一个单位工作时需要无线电沉默的特殊任务的机器人士兵团队。“The robots aren’允许沟通,所以他们’ve必须以分散的方式运行,” he notes. “这些结果表明,作为[设计]工程师至少考虑限制机器人’认知能力符合实现整体目标的利益。”