Auf dem Rücken der Ameisen

Forscher der Humboldt-Universität in Deutschland haben sich stark auf die Chemie der Biologie gestützt und einen Weg entwickelt, mit dem elektronische Agenten ein Netzwerk effizient aufbauen können, ohne sich auf einen zentralen Plan zu verlassen.

Die Forscher basierten ihre Idee auf den Methoden von Insekten und anderen Lebensformen, deren Kommunikation keine zentrale Planung hat, die es jedoch schaffen, Netzwerke zu bilden, wenn Individuen chemische Spuren absondern und darauf reagieren.

Die Forscher fanden heraus, dass das, was für Ameisen und Bakterien funktioniert, auch für autonome Computercodes funktioniert. Die Idee ist inspiriert von chemotaktischen Modellen zur Verfolgung der Spurbildung, die in Insekten, Bakterien und Schleimpilzen weit verbreitet sind, sagte Frank Schweitzer, außerordentlicher Professor an der Humboldt-Universität und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Autonome Intelligenzsysteme in Deutschland.



Die Arbeit könnte laut Schweitzer schließlich für selbstzusammenbauende Schaltkreise, Gruppen koordinierter Roboter und adaptive Krebsbehandlungen verwendet werden.

Gemeinschaften von Insekten, Bakterien und Schleimpilzen koordinieren Wachstumsprozesse basierend auf Wechselwirkungen zwischen den von Individuen hinterlassenen chemischen Spuren. Die Forscher richteten ein ähnliches Netzwerk ein, indem sie eine Computersimulation elektronischer Agenten verwendeten, die sich zufällig über ein Gitter mit nicht verbundenen Netzwerkknoten bewegen.

Anstatt die Struktur eines Netzwerks in einem Top-Down-Ansatz der hierarchischen Planung zu bestimmen, fanden Agenten Knoten und stellten Verbindungen in einem Bottom-Up-Prozess der Selbstorganisation her.

Wenn ein Agent auf einem Knoten passierte, begann er mit der Zeit eine von zwei simulierten chemischen Spuren zu erzeugen. Auch die Stärke der chemischen Spur ließ mit der Zeit nach. Der Schlüssel zum selbstorganisierenden Netzwerk besteht darin, dass die Agenten von den chemischen Spuren anderer Agenten angezogen werden.

Das Modell der Forscher enthält zwei Arten von Netzwerkknoten – blau und rot. Jeder Agent beginnt als grüner Agent, der keine chemischen Spuren hinterlässt und zufällig reist. Wenn ein Agent auf einem blauen Knoten passiert, wird er blau, und wenn ein Agent auf einem roten Knoten passiert, wird er rot. Rote und blaue Wirkstoffe legen chemische Spuren an, die Wirkstoffe der anderen Farbe anziehen.

Im Laufe der Zeit ändert sich das Modell von vielen grünen Agenten, die zufällig reisen, zu farbigen Agenten, die sich zwischen Knoten bewegen, wie der Verkehr in einem Netzwerk. Sie sehen ein Netzwerk, das fast alle Nachbarknoten verbindet, sagte Schweitzer.

Die chemische Methode löst gleichzeitig die beiden grundlegenden Probleme der Netzwerk-Selbstorganisation erkennende Knoten und das Herstellen von Verbindungen zwischen Knoten, sagte Schweitzer.

Diese Art von Netzwerk behebt Ausfälle und Störungen schnell, sagte Schweitzer. Wird die Position der Knoten verändert, passt sich das Netzwerk entsprechend an. Wenn ein Link unterbrochen wird, wird er sehr schnell wiederhergestellt.

Die Ergebnisse sollten die Bemühungen unterstützen, virtuelle Pheromone zu verwenden, um Computeragenten und reale Roboter zu koordinieren, sagte Schweitzer. Pheromone sind die Chemikalien, die von Ameisen in ihren Netzwerken verwendet werden. Die gleichen Prinzipien können verwendet werden, um sich selbst zusammenbauende elektronische Schaltungen aus Bausteinen wie Nanodrähten zu entwickeln, sagte er.

Selbstorganisierende Netzwerke seien wichtig, sagte Tamas Vicsek, Physikprofessor an der Eotvos-Universität in Ungarn. Tatsächlich würden Netzwerke wie das Internet ständig auf der Grundlage ihrer tatsächlichen Leistung zusammengestellt, sagte er.

Viksek sagte, das Modell der Humboldt-Forscher könne nützliche Erkenntnisse für diejenigen gewinnen, die Netzwerke betreiben. Während andere Netzwerkdesigns ihre Strukturen auch in Abhängigkeit von der Zeit und anderen Parametern ändern, hebt das Humboldt-Team ihr Modell durch die Einführung von Agenten ab – eine nette Geste, so Viksek. Aber das Modell sei derzeit zu kompliziert, um breit angewendet zu werden.

Dies sei eine Richtung, die es wert sei, weiter entwickelt zu werden, sagte er.

Schweitzers Forschungskollegen waren Sankt Augustin und Benno Tilch von der Humboldt-Universität. Sie veröffentlichten die Forschung in der Ausgabe vom 21. August 2002 von Physische Überprüfung E. Die Forschung wurde von der Humboldt-Universität finanziert.

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