人類花百年規(guī)劃設(shè)計的鐵路網(wǎng)，這些無腦生物26小時就搞定了

你應(yīng)該坐過火車對吧？一個國家，還有國家和國家之間有許許多多的鐵路，它們組成了鐵路網(wǎng)。

顯然從成本和效率的角度考慮，鐵路不可能經(jīng)過每一個城市。在哪些城市設(shè)立交通樞紐能覆蓋最多的旅客，同時讓城市之間的旅行線路變得更短，就是鐵路規(guī)劃的學(xué)問了。

在交通網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的問題上，有許許多多領(lǐng)域的科學(xué)家參與了進(jìn)來，比如數(shù)學(xué)家，計算機(jī)科學(xué)家。但是最近，一種奇特的生物卻在這個領(lǐng)域里橫空出世，成為了極為強(qiáng)大的問題解決專家。

就這么說吧，東京的鐵路系統(tǒng)從1872年開始運行，第一條鐵路連接的是東京和橫濱。這個鐵路系統(tǒng)花了工程師們100多年的時間才優(yōu)化成現(xiàn)在的樣子，但是我們將要介紹的這種生物只花了短短的26小時，就得到了同樣高效的結(jié)果。更令人嘖嘖稱奇的是，和人類相比，這種生物非常原始低等，它們甚至都沒有大腦。

這究竟是怎么回事呢？

實際上，用生物來解決空間規(guī)劃問題的方法由來已久。比如，科學(xué)家曾經(jīng)用螞蟻的覓食行為來模擬晶體的生長。

不過在空間設(shè)計方面，有一種叫做黏菌（Physarum polycephalum）的生物在近10年來卻倍受青睞。

黏菌雖然名字里有個菌字，但它不是細(xì)菌也不是真菌，而是一種單細(xì)胞變形蟲，也就是一種原生生物。

它可以從一個點開始向四周伸展，尋找食物。一旦找到了食物來源，那么那些沒有找到食物的“觸手”就會收縮消失。最后在黏菌的覓食網(wǎng)上，就只留下了那些有食物供給，并且能有效傳遞營養(yǎng)的線路和節(jié)點。

黏菌甚至可以在迷宮里找到走出迷宮的最短路徑。

當(dāng)然了，一個黏菌細(xì)胞最后形成的網(wǎng)絡(luò)實際上還是一個細(xì)胞，只不過比一開始的要大，而且有好幾個細(xì)胞核而已。

聽到這里你應(yīng)該已經(jīng)猜到了。如果我們把一粒一粒的食物當(dāng)作是一個個城市，按照地圖的分布放在黏菌周圍，那么它是否就可以規(guī)劃出能夠高效連接城市（食物分布點）的網(wǎng)絡(luò)呢？

2010年，日本北海道大學(xué)的科學(xué)家 Atsushi Tero 和同事在《科學(xué)》期刊上發(fā)表了一項研究，他們成功地用地燕麥片替代城市，在培養(yǎng)皿里讓黏菌繪制了東京鐵路系統(tǒng)的線路圖。

讓人驚訝的是，黏菌繪制出的東京鐵路系統(tǒng)，和人類百年來勤勤懇懇地通過反復(fù)試錯修建出來的鐵路網(wǎng)幾乎一摸一樣。

下圖中，左邊是人類造的東京鐵路網(wǎng)，右邊是黏菌造的。

再來看看靜態(tài)圖。下圖中，上面是黏菌用短短幾天時間和一些燕麥片設(shè)計的，下面是人類花了100年和大量金錢設(shè)計的。

從那時起，許多做交通運輸網(wǎng)優(yōu)化研究的科學(xué)家就開始應(yīng)用黏菌來設(shè)計交通網(wǎng)。甚至有人利用黏菌繪制出了絲綢之路和全球貿(mào)易網(wǎng)。

用黏菌來幫人類規(guī)劃空間設(shè)計有不少好處，比如速度快、成本低、操作方便。黏菌平均每小時向外生長1厘米。只需要幾天，它們就可以解決人類要花幾年甚至數(shù)十年才能通過實踐，或者借助超級計算機(jī)才能找到的優(yōu)化方案。

英國西英格蘭大學(xué)非常規(guī)計算中心主任 Andrew Adamatzky 教授也用燕麥片來當(dāng)作城市，比較了14個國家的交通網(wǎng)和黏菌繪制的高速公路的差別，他發(fā)現(xiàn)，比利時、加拿大和我國的高速公路網(wǎng)和黏菌“設(shè)計”的方案最為相似，而美國以及非洲的交通網(wǎng)效率最低。

下面是黏菌設(shè)計的美國交通網(wǎng)。

下面是黏菌正在“設(shè)計”的西班牙的高速公路網(wǎng)。

下面是真實的西班牙高速公路網(wǎng)（左）和黏菌的設(shè)計（右）的對比：

Adamatzky 用黏菌設(shè)計的非洲鐵路網(wǎng)：

Adamatzky 把燕麥片放在世界24個大城市的位置，然后讓黏菌來設(shè)計絲綢之路，結(jié)果和歷史上的絲綢之路有很高的重合度（76%）：

美國新澤西理工學(xué)院（NJIT）的助理教授 Simon Garnier 也用美國地圖和黏菌做了試驗?？吹搅税?，黏菌3天的成果，和人類用數(shù)十年，數(shù)百萬美金得到的效果幾乎沒有差別。

當(dāng)然，黏菌不僅可以用來模擬高效的交通系統(tǒng)，還可以用來模擬撞車、洪水等天災(zāi)人禍。

那么怎么模擬呢？只要在培養(yǎng)皿的相應(yīng)位置上撒上鹽巴就可以了。

這是因為，鹽對于黏菌來說是有毒的，遇到鹽粒，黏菌就會撤退，轉(zhuǎn)而尋找其他替代線路。因此，利用黏菌遇到鹽粒時的應(yīng)對措施，科學(xué)家就可以預(yù)測某地發(fā)生交通事故時附近的交通變化。

剛才我們說到黏菌是無腦的單細(xì)胞生物，其實它們比我們想象的要聰明多了。

2012年，悉尼大學(xué)的研究者發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的研究發(fā)現(xiàn)，黏菌不但能夠形成有效的食物運輸網(wǎng)絡(luò)，還能在不成功的線路上用化學(xué)物質(zhì)標(biāo)記，就好像我們立上“此路不通”的標(biāo)牌一樣。這樣一來，黏菌就可以記住那些低效的線路，防止以后犯錯。

更厲害的是，在野外，當(dāng)一季的食物吃完后，黏菌們就會聚集起來，共同繁殖。