螞蟻在沙漠中行走為什么始終不會(huì)迷路？

你是否曾經(jīng)注意過螞蟻是如何外出覓食的？這樣的問題對(duì)于一般人而言似乎顯得有些莫名其妙，但是對(duì)于生態(tài)學(xué)家和動(dòng)物行為學(xué)家而言這一點(diǎn)卻非常關(guān)鍵和有趣。尤其是在明確知道螞蟻們實(shí)際上并沒有統(tǒng)一的中央指揮調(diào)度系統(tǒng)的前提之下便更是如此。

有一點(diǎn)非常讓人感興趣，那就是螞蟻們的組織方式與人類社會(huì)所采用的一些工程解決方案之間的高度相似性。其中一個(gè)案例便是所謂的“螞蟻網(wǎng)絡(luò)”(Anternet)。美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)沙漠螞蟻們?cè)谕獬鲆捠硶r(shí)采用的組織方式與人類社會(huì)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面所采用的，旨在規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP協(xié)議之間存在算法方面的高度相似性——螞蟻網(wǎng)絡(luò)和人類使用的信息網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)都采用了正反饋機(jī)制：在TCP傳輸協(xié)議中，一個(gè)數(shù)據(jù)包的抵達(dá)確認(rèn)信號(hào)會(huì)激發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送開始，而一只滿載而歸的螞蟻個(gè)體則會(huì)觸發(fā)下一只覓食的螞蟻個(gè)體出發(fā)繼續(xù)覓食的工作。這些研究不禁讓我們驚嘆于螞蟻們的高度智慧——它們竟然能夠發(fā)明出與人類相媲美的復(fù)雜精妙的系統(tǒng)。

但是這種相似性還不是螞蟻網(wǎng)絡(luò)給與我們的最令人興奮的地方，關(guān)鍵的部分在于，還有沒有哪些是螞蟻們一直在采用的精妙方法，但是我們?nèi)祟悈s還沒有意識(shí)到的？換句話說(shuō)，螞蟻們是否能夠給予我們工程學(xué)界未來(lái)的走向以啟迪？

在大約1.3億年的演化歷程中，進(jìn)化的過程讓螞蟻網(wǎng)絡(luò)經(jīng)受了在不斷變化和嚴(yán)苛環(huán)境條件下的考驗(yàn)。螞蟻們會(huì)利用簡(jiǎn)單的基于簡(jiǎn)短互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)成對(duì)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)。在整個(gè)螞蟻群體中，單個(gè)的螞蟻都不知道接下來(lái)到底要做什么，去哪里。它們只是機(jī)械的按照之前跟另一只螞蟻相互碰觸的觸須，或者地面上留下的信息素執(zhí)行自己的動(dòng)作并選定路徑。然而正是這種看似簡(jiǎn)單機(jī)械的機(jī)制確保了螞蟻們的生存，現(xiàn)在全世界有超過1.1萬(wàn)種螞蟻種類，幾乎分布于地球表面所有可以生活的地方。因此這樣有效的螞蟻網(wǎng)絡(luò)，必定有一些值得我們學(xué)習(xí)借鑒的地方。

通過簡(jiǎn)單的信息交換，蟻群成功應(yīng)對(duì)不斷變化的外部世界的挑戰(zhàn)。它們采用的網(wǎng)絡(luò)體系可以非常迅速方便的修復(fù)，并且可以隨時(shí)擴(kuò)大或縮減規(guī)模

如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的高成本？

沙漠螞蟻需要外出采集水分來(lái)源，但是在炙熱的陽(yáng)光下在沙漠中奔走本身也會(huì)耗費(fèi)大量水分。冒著酷熱搬回來(lái)一些含水的食物之后它們便能夠從中攝取水分。蟻群會(huì)評(píng)估成本，它們會(huì)比較得失，如果外出的水分成本耗費(fèi)太高，那么反饋機(jī)制將讓它們放棄外出，將食物就留在地面上不去理會(huì)，直到空氣中的濕度條件稍稍合適之后才會(huì)觸發(fā)前往采集。

和這種做法相似，人類社會(huì)在計(jì)算機(jī)TCP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中也能找到類似的做法：當(dāng)缺乏足夠帶寬時(shí)，協(xié)議會(huì)阻止額外數(shù)據(jù)包的發(fā)送，因?yàn)槿绻麕挷蛔?，你所發(fā)送的信息有可能會(huì)丟失，因此總一開始就不應(yīng)當(dāng)進(jìn)行發(fā)送，除非可以確認(rèn)其可以抵達(dá)目的地。

在過去的25年間，一個(gè)研究小組一直致力于了解螞蟻網(wǎng)絡(luò)的算法技術(shù)是否會(huì)隨著時(shí)間或環(huán)境等條件的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。他們對(duì)超過300個(gè)螞蟻群落進(jìn)行跟蹤觀察，并使用基因技術(shù)觀察哪些蟻群最終能夠產(chǎn)生最多的后代(發(fā)展的最成功)。

蟻群會(huì)在它們的蟻巢里儲(chǔ)備食物作為一種生存策略。25年的研究結(jié)果顯示，那些每到天氣太熱就會(huì)放棄外出轉(zhuǎn)而在蟻巢里避暑的一群獲得了更大的成功。因此規(guī)避便成了一種蟻群層面的最佳策略——那就是，在沙漠地區(qū)的蟻群中間，要想獲得長(zhǎng)期的生存，螞蟻們的做法并不是去改變或優(yōu)化它們的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，而是選擇在合適的時(shí)機(jī)外出而不額外浪費(fèi)資源。

當(dāng)面對(duì)食物匱乏等不利條件時(shí)，螞蟻系統(tǒng)的解決方案精髓是最小化運(yùn)行成本，而不是立即尋求加大食物的儲(chǔ)備。這種做法對(duì)于任何一個(gè)體系而言都是最可以持續(xù)的方案——不管具體的對(duì)象是沙漠螞蟻群落還是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送，即達(dá)成長(zhǎng)期意義上的穩(wěn)定性，并避免造成不必要的浪費(fèi)。

大型和小型系統(tǒng)

但是如果系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大之后，將會(huì)怎樣？正如人類的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一樣，螞蟻群落系統(tǒng)也必須面對(duì)群落規(guī)模擴(kuò)大之后的管理問題，這一系統(tǒng)必須可以接受局部的失效。

由于大規(guī)模系統(tǒng)必須允許出現(xiàn)一些偏差和錯(cuò)誤，因此最佳的解決方案便是，讓群體中每一個(gè)個(gè)體產(chǎn)生的貢獻(xiàn)超過其自身對(duì)群體造成的損失以及撫養(yǎng)一個(gè)新生個(gè)體所要付出的成本。因此，在一個(gè)大規(guī)模系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)便是冗余設(shè)計(jì)以及最小化信息量——在巨大的蟻群中，這種極高效率的選擇是通過這樣一種方式實(shí)現(xiàn)的，即大量的交流是通過兩只互相陌生的螞蟻個(gè)體之間簡(jiǎn)單的觸須碰觸實(shí)現(xiàn)的，非常迅速，沒有額外的信息交流。

在工程領(lǐng)域我們同樣在尋找方法確保產(chǎn)出的可靠性，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，我們不斷尋找有效率的，便宜的解決方案，而螞蟻群落的做法給我們的啟示是，有時(shí)候容忍某些不完美可能卻恰恰是通往最佳解決方案的途徑。

先到先得的策略

螞蟻算法的多樣性顯示出進(jìn)化過程對(duì)于不同環(huán)境限制因素的響應(yīng)。由于蟻群之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)，并且很多時(shí)候它們?cè)谝捠硶r(shí)所選定的目標(biāo)可能會(huì)是同一個(gè)食物，那么這時(shí)候誰(shuí)先到誰(shuí)就有可能贏得先機(jī)。

但是在一個(gè)沒有中央指揮體系的系統(tǒng)中，又該如何達(dá)成最先抵達(dá)的目標(biāo)呢？對(duì)于這個(gè)問題的解決方法是蟻群必須設(shè)法在最大的面積上幾乎在任何時(shí)間點(diǎn)都有本蟻群的成員在搜尋，這樣一來(lái)，不論在任何地點(diǎn)出現(xiàn)食物，就可以有最大的可能性在其附近有本群的螞蟻成員在巡邏，可以及早發(fā)現(xiàn)。

但是如果沒有中央統(tǒng)一的調(diào)度系統(tǒng)，你又該如何進(jìn)行這樣的統(tǒng)一布置呢？蟻群所采用的一種方案是建立一些永久性的固定巡邏路線，就像是我們的手機(jī)信號(hào)塔，螞蟻們會(huì)固定的沿著這些道路進(jìn)行巡視。極具攻擊性的阿根廷蟻在這方面非常擅長(zhǎng)，它們可以及時(shí)找到任何你掉在地上的面包屑。

阿根廷蟻還會(huì)調(diào)整自己的巡視路線，當(dāng)身邊還有其它許多同伴時(shí)，它們會(huì)采用一種近乎是隨機(jī)的路線選擇，從而讓每一只螞蟻對(duì)一小塊區(qū)域進(jìn)行徹底的搜查，而當(dāng)處于陌生區(qū)域，并且同伴的數(shù)量較少時(shí)，它們則傾向于采取直行路線，從而確保數(shù)量較少的蟻群得以覆蓋更大的范圍。就像一個(gè)情報(bào)反饋系統(tǒng)，隨著每一只螞蟻個(gè)體對(duì)局部低點(diǎn)信息情報(bào)的反饋，整個(gè)蟻群逐漸掌握有關(guān)整個(gè)體系的完整信息，而在這一過程中并沒有任何中央統(tǒng)一調(diào)度體系的干預(yù)。

對(duì)抗安全漏洞和疾病

如前所述，當(dāng)數(shù)以百計(jì)的蟻群相互接近，此時(shí)資源就會(huì)顯得緊張，各個(gè)蟻群之間將會(huì)出現(xiàn)對(duì)食物等資源的爭(zhēng)奪，這樣做必然就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)安全問題上的顧慮。對(duì)此，蟻群相應(yīng)的進(jìn)化出了對(duì)入侵的偵測(cè)并對(duì)安全漏洞做出響應(yīng)的機(jī)制。

一個(gè)蟻群可能會(huì)盜用或竊取其它蟻群留下的信息，從而找到其它蟻群率先找到的食物，比如它們會(huì)探測(cè)其它蟻群留下的化學(xué)蹤跡信息并追蹤這些信息。蟻群對(duì)此采取的策略并不是徹底的防止入侵行為的發(fā)生，而是發(fā)展出一套根據(jù)入侵規(guī)模大小而并與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)體系。

這種行為對(duì)于計(jì)算機(jī)信息安全領(lǐng)域同樣具有啟發(fā)性，我們或許不應(yīng)追求完美，我們所要做的應(yīng)當(dāng)是在局部范圍內(nèi)對(duì)威脅做出評(píng)估并采取行動(dòng)消除入侵。蟻群已經(jīng)找到一種有效途徑，對(duì)入侵行為做出響應(yīng)，而在此過程中并沒有更高一級(jí)中央調(diào)度系統(tǒng)的介入。人類社會(huì)目前正在顯現(xiàn)一些運(yùn)用相似設(shè)計(jì)思想的安全系統(tǒng)。

另外蟻群還有一整套的危機(jī)應(yīng)對(duì)機(jī)制，如那些常常在樹上覓食的螞蟻種類，有些樹木的樹枝非常容易折斷，這樣就會(huì)引起蟻群的損失。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種危機(jī)并做出響應(yīng)，蟻群會(huì)以一個(gè)環(huán)圈的形式前行，這樣就會(huì)有兩個(gè)方向的信息流連續(xù)的交換。當(dāng)發(fā)生樹枝折斷，一個(gè)方向的信息流中斷，蟻群便會(huì)立即意識(shí)到危機(jī)的發(fā)生并著手重建環(huán)圈網(wǎng)絡(luò)。

相似的，早期的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)常常會(huì)由于農(nóng)場(chǎng)或建筑施工等原因被挖斷，這樣的后果是嚴(yán)重的，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致一個(gè)半局部地區(qū)的信息通訊中斷。不過工程師們很快想出了解決方案，他們參考蟻群的做法，環(huán)圈通訊網(wǎng)絡(luò)將能確保更加迅速和有效地修復(fù)損傷。

有一點(diǎn)是可以肯定的，那就是在未來(lái)我們的工程信息網(wǎng)絡(luò)還將繼續(xù)演化發(fā)展。工程師們將會(huì)繼續(xù)研究蟻群在解決一些重大問題時(shí)的方案，它們所使用的算法將會(huì)繼續(xù)給予人類以改進(jìn)設(shè)計(jì)的靈感。

通過簡(jiǎn)單的信息交換，而不是我們目前所采用的復(fù)雜反饋體系，蟻群成功應(yīng)對(duì)不斷變化的外部世界的挑戰(zhàn)——比如不定時(shí)出現(xiàn)又隨時(shí)會(huì)消失的食物來(lái)源。它們采用的網(wǎng)絡(luò)體系可以非常迅速方便的修復(fù)，并且可以隨時(shí)擴(kuò)大或縮減規(guī)模。

在歷史上，蟻群帶來(lái)的啟示已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)和其它設(shè)計(jì)領(lǐng)域。盡管單個(gè)的螞蟻可能是懶散的，毫無(wú)思想和徹底愚蠢的，但是一旦置于一個(gè)龐大完整的蟻群體系之下，我們則有必要學(xué)習(xí)其組織方式和體系——螞蟻們?cè)诼L(zhǎng)的演化過程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種高度的協(xié)同體系，在這一方面我們望塵莫及。