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人類花百年規劃設計的鐵路網,這些無腦生物26小時就搞定了

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你應該坐過火車對吧?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。

顯然從成本和效率的角度考慮,鐵路不可能經過每一個城市。在哪些城市設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,就是鐵路規劃的學問了。

在交通網規劃設計的問題上,有許許多多領域的科學家參與了進來,比如數學家,計算機科學家。但是最近,一種奇特的生物卻在這個領域裡橫空出世,成為了極為強大的問題解決專家。

就這麼說吧,東京的鐵路系統從1872年開始運行,第一條鐵路連接的是東京和橫濱。這個鐵路系統花了工程師們100多年的時間才優化成現在的樣子,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。

這究竟是怎麼回事呢?

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

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

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黏菌雖然名字裡有個菌字,但它不是細菌也不是真菌,而是一種單細胞變形蟲,也就是一種原生生物。

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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,那麼那些沒有找到食物的“觸手”就會收縮消失。最後在黏菌的覓食網上,就只留下了那些有食物供給,並且能有效傳遞營養的線路和節點。

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黏菌甚至可以在迷宮裡找到走出迷宮的最短路徑。

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當然了,一個黏菌細胞最後形成的網絡實際上還是一個細胞,只不過比一開始的要大,而且有好幾個細胞核而已。

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聽到這裡你應該已經猜到了。如果我們把一粒一粒的食物當作是一個個城市,按照地圖的分佈放在黏菌周圍,那麼它是否就可以規劃出能夠高效連接城市(食物分佈點)的網絡呢?

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2010年,日本北海道大學的科學家Atsushi Tero 和同事在《科學》(Science)期刊上發表了一項研究,他們成功地用地燕麥片替代城市,在培養皿裡讓黏菌繪製了東京鐵路系統的線路圖。

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讓人驚掉大牙的是,黏菌繪製出的東京鐵路系統,和人類百年來勤勤懇懇地通過反複試錯修建出來的鐵路網幾乎一摸一樣。

下圖中,左邊是人類造的東京鐵路網,右邊是黏菌造的。

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

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從那時起,許多做交通運輸網優化研究的科學家就開始應用黏菌來設計交通網。甚至有人利用黏菌繪製出了絲綢之路和全球貿易網。

用黏菌來幫人類規劃空間設計有不少好處,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十年才能通過實踐,或者藉助超級計算機才能找到的優化方案。

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英國西英格蘭大學(University of the West of England)非常規計算中心主任Andrew Adamatzky 教授也用燕麥片來當作城市,比較了14個國家的交通網和黏菌繪製的高速公路的差別,他發現,比利時、加拿大和我國的高速公路網和黏菌“設計”的方案最為相似,而美國以及非洲的交通網效率最低。

下面是黏菌設計的美國交通網。

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下面是黏菌正在“設計”的西班牙的高速公路網。

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下面是真實的西班牙高速公路網(左)和黏菌的設計(右)的對比:

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Adamatzky 用黏菌設計的非洲鐵路網:

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

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美國新澤西理工學院(NJIT)的助理教授Simon Garnier 也用美國地圖和黏菌做了試驗。看到了吧,黏菌3天的成果,和人類用數十年,數百萬美金得到的效果幾乎沒有差別。

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當然,黏菌不僅可以用來模擬高效的交通系統,還可以用來模擬撞車、洪水等天災人禍。

那麼怎麼模擬呢?只要在培養皿的相應位置上撒上鹽巴就可以了。

這是因為,鹽對於黏菌來說是有毒的,遇到鹽粒,黏菌就會撤退,轉而尋找其他替代線路。因此,利用黏菌遇到鹽粒時的應對措施,科學家就可以預測某地發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胞生物,其實它們比我們想像的要聰明多了。

2012年,悉尼大學的研究者發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的研究發現,黏菌不但能夠形成有效的食物運輸網絡,還能在不成功的線路上用化學物質標記,就好像我們立上“此路不通”的標牌一樣。這樣一來,黏菌就可以記住那些低效的線路,防止以後犯錯。

更厲害的是,在野外,當一季的食物吃完後,黏菌們就會聚集起來,共同繁殖。

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在沒有中心指揮的情況下,它們會自發地分擔不同的任務。有些黏菌製造後代——類似真菌的孢子,一些則變成了支撐孢子的結構。至今人類也沒有搞清楚它們是怎麼做到的。

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黏菌刷新了我們對智力的定義。黏菌的效率是值得人類計算機學習的。

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我知道一些同志想問什麼。黏菌能吃嗎?

能吃,嚐過的Garnier 說,吃起來像苔蘚。

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