蟻群如何用自我組織找到最短路徑


最近在看一本叫《群的智慧》的書,副標題是《向螞蟻、蜜蜂、飛鳥學(xué)習(xí)組織運作絕技》,里面提到了智群(smart swarm),也就是有智慧的群體。第一章講螞蟻如何運營自我組織的三大原則,找到最短路徑。

智群

蟻群天生能巧妙地將一個大問題分成幾千個小問題來逐個擊破。蟻群能解決的問題遠遠超過螞蟻個體的能力,像是尋找食物、分配資源,或是應(yīng)付附近生物的種種挑戰(zhàn)。

只要是成群的動物(像是蜜蜂或鯡魚),很多都能夠在沒有領(lǐng)導(dǎo)者的情況下處理復(fù)雜而困難的問題??茖W(xué)家將動物的這種行為稱為自我組織(self-organization),而這也是智群的第一項原則。自我組織的三大基本機制,去中心式的控制、分散式的問題處理以及多重互動。

這些現(xiàn)象的共通之處,就是沒有由上而下的整體計劃。在這些系統(tǒng)中,不論是什么模式、形狀、行為,事先都沒有任何藍圖或設(shè)計,而是由下而上,自然出現(xiàn),靠著系統(tǒng)中各部分的互動而形成的。

實驗

阿根廷螞蟻從覓食開始就會留下費洛蒙足跡??茖W(xué)家準備了兩個大槽,一個放進阿根廷蟻群,另一個則放了食物。接著,他們在兩個槽中間搭了一座橋。連接蟻槽到食物的這座橋,有一個特殊的設(shè)計———在橋的跨距約四分之一處,分成兩道,雖然兩者都能通往食物槽,但其中的一道距離足足是另一道到兩倍。結(jié)果這群小探險家怎么處理這種問題呢?一如預(yù)期,蟻群很快就能決定了哪條路才是最好的選擇(別忘了,正是這種螞蟻,能一下子找到廚房里撿出來的糖漿)。從這項實驗可以發(fā)現(xiàn),只要經(jīng)過剛開始的找路階段,之后所有的螞蟻都能夠選擇較短的路徑。

實驗所發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵就在于費洛蒙畫出的路線。隨著來越多的螞蟻選擇較短的一道,就會累積越來越多的費洛蒙,增加其他螞蟻選擇這條路的機會。這樣的運作方式大致上是:假設(shè)有兩只螞蟻同時間分別選擇了兩條不同的路,A螞蟻走較短的路線A,而B螞蟻地走較長的路線B。到A螞蟻到達食物槽,B螞蟻還在過橋。而等到A螞蟻都已經(jīng)回到家了,B螞蟻才剛剛抵達食物。

如此一來,對于在分叉點上的C螞蟻來說,A螞蟻所留下的費洛蒙氣味就會是B螞蟻的兩倍(因為來回都會各留下一次費洛蒙),氣味較濃代表這可能是較短的路線。而只要這種A、B螞蟻的事情發(fā)生越多次,費洛蒙氣味的差距也就越明顯,使得更多的螞蟻選擇了較短的A路線。換言之,蟻群已經(jīng)演化出一種聰明的辦法,可以決定兩點之間的最短路線。而且,每一只螞蟻并不是自己想要這樣做,也沒有哪只有興趣比一比究竟是哪條路比較短。事實上,是整個蟻群以群體為單位來找出最佳解決方案,讓每只螞蟻輪流上陣,用費洛蒙來不斷“強化”最初的成功,呈現(xiàn)出令人驚嘆的自我組織能力。

簡單來說,整個蟻群系統(tǒng)的關(guān)鍵其實就在于每只螞蟻都在遵守一個簡單的原則,用來處理他們所碰到的在地資訊,而如果原則有所改變,整個蟻群的行為模式也就會改變。

以上內(nèi)容摘自臺灣天下文化《群的智慧:向螞蟻、蜜蜂、飛鳥學(xué)習(xí)組織運作絕技》第一章《跟蟻群學(xué)應(yīng)變力》。

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