东京的铁路系统花百年规划设计的铁路网 黏菌26小时就搞定了

文章作者:管理一号 | 2019-01-07
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你应该坐过火车对吧?一个国家,还有国家和国家之间有许许多多的铁路,它们组成了铁路网。


  明显从本钱和功率的视点考虑,铁路不可能通过每一个城市。在哪些城市建立交通枢纽能掩盖最多的旅客,一起让城市之间的游览线路变得更短,就是铁路规划的学问了。

  在交通网规划规划的问题上,有许许多多范畴的科学家参加了进来,比方数学家,计算机科学家。可是最近,一种独特的生物却在这个范畴里横空出世,成为了极为强壮的问题处理专家。

  就这么说吧,东京的铁路体系从1872年开端运转,第一条铁路衔接的是东京和横滨。这个铁路体系花了工程师们100多年的时刻才优化成现在的姿态,可是咱们即将介绍的这种生物只花了短短的26小时,就得到了相同高效的成果。更令人啧啧称奇的是,和人类比较,这种生物十分原始低一级,它们乃至都没有大脑。
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  这究竟是怎么回事呢?

  实际上,用生物来处理空间规划问题的办法由来已久。比方,科学家从前用蚂蚁的寻食行为来模仿晶体的成长。

  不过在空间规划方面,有一种叫做黏菌(Physarum polycephalum)的生物在近10年来却倍受青睐。

 

 

黏菌尽管姓名里有个菌字,但它不是细菌也不是真菌,而是一种单细胞变形虫,也就是一种原生生物。

 

它能够从一个点开端向四周扩展,寻寻食物。一旦找到了食物来历,那么那些没有找到食物的“触手”就会缩短消失。最终在黏菌的寻食网上,就只留下了那些有食物供应,并且能有用传递养分的线路和节点。

 

黏菌甚至可以在迷宫里找到走出迷宫的最短路径。

 

当然了,一个黏菌细胞最终构成的网络实际上仍是一个细胞,只不过比一开始的要大,并且有好几个细胞核罢了。

 

听到这儿你应该现已猜到了。假如咱们把一粒一粒的食物当作是一个个城市,依照地图的散布放在黏菌周围,那么它是否就可以规划出可以高效衔接城市(食物散布点)的网络呢?

 

2010年,日本北海道大学的科学家 Atsushi Tero 和搭档在《科学》期刊上宣布了一项研讨,他们成功地用地燕麦片代替城市,在培养皿里让黏菌制作了东京铁路体系的线路图。

 

让人惊奇的是,黏菌制作出的东京铁路体系,和人类百年来兢兢业业地经过重复试错建筑出来的铁路网简直一摸相同。


  下图中,左面是人类造的东京铁路网,右边是黏菌造的。

 

再来看看静态图。下图中,上面是黏菌用短短几天时刻和一些燕麦片规划的,下面是人类花了100年和很多金钱规划的。

 

从那时起,许多做交通运输网优化研讨的科学家就开端使用黏菌来规划交通网。乃至有人使用黏菌制作出了丝绸之路和全球贸易网。


  用黏菌来帮人类规划空间规划有不少优点,比方速度快、成本低、操作便利。黏菌均匀每小时向外成长1厘米。只需要几天,它们就可以处理人类要花几年乃至数十年才干经过实践,或许凭借超级计算机才干找到的优化计划。

 

英国西英格兰大学非常规核算中心主任 Andrew Adamatzky 教授也用燕麦片来当作城市,比较了14个国家的交通网和黏菌制作的高速公路的不同,他发现,比利时、加拿大和我国的高速公路网和黏菌“规划”的计划最为类似,而美国以及非洲的交通网功率最低。

  下面是黏菌设计的美国交通网。

 

下面是黏菌正在“设计”的西班牙的高速公路网。

 

 

 

 

下面是真实的西班牙高速公路网(左)和黏菌的设计(右)的对比:

 

Adamatzky 用黏菌设计的非洲铁路网:

 

Adamatzky 把燕麦片放在国际24个大城市的方位,然后让黏菌来规划丝绸之路,成果和历史上的丝绸之路有很高的重合度(76%):

 

美国新泽西理工学院(NJIT)的助理教授 Simon Garnier 也用美国地图和黏菌做了实验。看到了吧,黏菌3天的作用,和人类用数十年,数百万美金得到的作用几乎没有不同。

 

 

 

 

当然,黏菌不只可以用来模仿高效的交通系统,还可以用来模仿撞车、洪水等天灾人祸。


  那么怎样模仿呢?只要在培养皿的相应方位上撒上盐巴就可以了。
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  这是由于,盐关于黏菌来说是有毒的,遇到盐粒,黏菌就会撤离,转而寻觅其他代替线路。因而,使用黏菌遇到盐粒时的应对办法,科学家就可以猜测某地发作交通事故时邻近的交通改变。

  方才咱们提到黏菌是无脑的单细胞生物,其实它们比咱们幻想的要聪明多了。

  2012年,悉尼大学的研讨者宣布在《美国国家科学院院刊》上的研讨发现,黏菌不光可以构成有用的食物运输网络,还能在不成功的线路上用化学物质符号,就好像咱们立上“此路不通”的标牌相同。这样一来,黏菌就可以记住那些低效的线路,避免今后犯错。

  更凶猛的是,在野外,当一季的食物吃完后,黏菌们就会集合起来,一起繁衍。

 

 

在没有中心指挥的情况下,它们会自发地分管不同的使命。有些黏菌制作子孙——相似真菌的孢子,一些则变成了支撑孢子的结构。至今人类也没有搞清楚它们是怎样做到的。

   

黏菌刷新了我们对智力的定义。黏菌的效率是值得人类计算机学习的。

 

我知道一些同志想问什么。黏菌能吃吗?

能吃,尝过的 Garnier 说,吃起来像苔藓。

 

 

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