Una colonia de soluciones

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Artículo publicado por Bridget Murphy el 14 de febrero de 2011 en Cosmos

La naturaleza ha averiguado algunas soluciones increíbles a problemas complejos de la vida, inspirando a ingenieros programadores a dar con nuevos y mejores algoritmos de programación.

Con un cerebro rudimentario y sin memoria, las hormigas individuales no son especialmente inteligentes, pero en grupos han mostrado capacidad para resolver problemas complejos.

Hormigas argentinas


A medida que los investigadores adquieren un conocimiento más profundo de los procesos utilizados por estos pequeños insectos, los ingenieros programadores están tomando nota, usándolos como fuente de inspiración para algoritmos de programación.

Chris Reid, un estudiante de doctorado de la Universidad de Sídney, me muestra un foto de una hilera de patas en forma de Y con forma de diamante. Es un mapa espacial de todas las posibles soluciones a un antiguo juego, las torres de Hanoi.

Una hilera de hormigas argentinas (Linepithema humile) muestra el camino más corto de un extremo del laberinto a la comida al otro lado. Al encontrar el camino más corto, las hormigas han resuelto el problema de las torres de Hanoi en el menor número de movimientos posible.

Estoy impresionado, pero Reid no lo parece. “Las hormigas resuelven muchos problemas debido al sistema de feromonas que usan para la navegación”, explica.

Al explorar inicialmente un nuevo área, dejan hileras de feromonas, compuestos químicos volátiles que marcan los caminos a seguir para las otras hormigas. Al principio, las hormigas crean muchas hileras a lo largo del laberinto, pero a medida que pasa el tiempo las hormigas refinan sus rutas mediante un proceso de poda.

“Las hileras menos óptimas desaparecen a medida que las feromonas se evaporan”, dice Reid, quien publicó sus hallazgos en Journal of Experimental Biology. Los caminos que se mantienen son los más cortos, donde las feromonas se mantienen debido al elevado tráfico de hormigas.

El mismo sistema de feromonas permite a las hormigas argentinas construir redes de distancia mínima entre hormigueros. En la naturaleza, la red de hileras permite a las colonias reclutar rápidamente a un gran número de hormigas para viajar por comida y defender los hormigueros de predadores.

“Las hormigas argentinas terminan formando supercolonias masivas que contienen cientos de miles de hormigueros conectados entre sí por hileras. ¡Hay una hilera en Europa de unos 6000 km!” explica Tanya Latty de la Universidad de Sídney, que publicó su estudio en Journal of the Royal Society este año.

“Una hormiga individual no tiene ni idea de hacia dónde va”, dice. “No sabe que están construyendo una red de caminos óptima. Estas redes son una propiedad emergente de todas las hormigas siguiendo reglas de comportamiento probablemente muy sencillas”.

“Las hormigas necesitan resolver los mismos problemas que un ingenerio de transporte. ¿Cómo puedo conectar todos esos puntos separados usando caminos lo más cortos posible y los mínimos recursos, y al mismo tiempo conseguir una red robusta y que no se desconectará? Es interesante ver cómo los sistemas naturales resuelven el mismo problema, dado que no hay un control centralizado”, dice Latty.

No es sólo que las hormigas sean inteligentes resolviendo laberintos y formando redes eficientes. Cuando organismos como los protozoos Myxomycota y los que forman las redes vasculares son retados con los mismos problemas, usan los mismos mecanismos, produciendo patrones casi idénticos a los de las hormigas.

“Un Myxomycota es una ameba gigante”, me cuenta Latty. “Parecen pedazos de moco, pero pueden alcanzar longitudes de varios metros”.

Luego ella me enseña lo que parece una escena sacada de una película de terror, un video secuencial de una Myxomycota engullendo algunos hongos, que se marchitan a medida que la Myxomycota les quita la vida.

En el laboratorio, la Myxomycota parece más tranquila, una red de ramas inmóvil extendida alimentándose de cereales.

Las habilidades para resolver problemas de los sistemas naturales han sido ya usadas para diseñar nuevas tecnologías de control del transporte a través de todo tipo de redes.

El comportamiento de las hormigas constituye la base para los algoritmos de optimización de colonias de hormigas, que se usan para optimizar redes telefónicas, rutas de tráfico de vehículos, y redes de ordenadores. Otro ejemplo son las redes neuronales artificiales, que imitan el modo en que las conexiones en el cerebro se vuelven más fuertes con el uso.

“Los paquetes de datos son como las hormigas. Individualmente no pueden decidir la mejor ruta en una red”, explica Reid.

Como las hormigas argentinas, los paquetes de datos dejan feromonas virtuales en forma de código, que fuerza a otros paquetes de datos a lo largo de los caminos óptimos, hasta que éstos son reforzados. Otros se basan en el comportamiento de los Myxomycota y de enjambres de abejas de miel.

Los bloqueos en una red, como un corte en un nodo de telecomunicaciones o un accidente de tráfico en una vía principal, crean un nuevo tipo de problemas para los algoritmos. Mientras que algunos algoritmos inspirados en la naturaleza, como los de las redes neuronales y los algoritmos genéticos, se aplican normalmente a problemas dinámicos, los algoritmos de optimización de colonias de hormigas no resuelven bien los cambios.

Los científicos computacionales, como el profesor asociado Bernd Meyer de la Facultad de Tecnología de la Información de la Universidad de Monash, en Melbourne, están trabajando con biólogos para estudiar el comportamiento de las hormigas y mejorar los algoritmos de optimización de colonias. “La capacidad de las colonias de hormigas de funcionar en entornos dinámicos no se entiende bien pero estamos trabajando en ello”, explica Meyer.

Pero las condiciones en la naturaleza nunca son estáticas, así que ¿cómo se enfrentan las hormigas al cambio? “Nosotros pensamos originalmente que las hormigas argentinas usan sólo una feromona, lo que podría hacer difícil para ellas rehacer los senderos cuando las condiciones cambian”, dice Reid.

Reid descubrió que las hormigas argentinas son capaces de reacciones ante los cambios y encuentran rápidamente una ruta óptima alternativa cuando su camino inicial a lo largo del laberinto se bloquea.

Es probable que las hormigas argentinas usan una segunda feromona exploratoria que les ayuda a explorar caminos alternativos cuando las condiciones cambian.

El grupo de investigadores de Meyer descubrió recientemente que los errores que cometen las hormigas podrían ser importantes para resolver problemas cambiantes.

“La comunicación ruidosa o imperfecta entre miembros de la colonia es un ingrediente crucial que permite a las colonias de hormigas tomar decisiones en entornos dinámicos”, explica Meyer. “La función de múltiples feromonas es también otra pieza importante del puzle”.

Mientras Meyer fomenta la colaboración entre los biólogos y los científicos computacionales, avisa que tratar de hacer algoritmos que imitan a la perfección los sistemas biológicos no es el objetivo del diseño de algoritmos.

“Lo que se necesita es un mejor entendimiento de cómo funcionan los sistemas biológicos que forman las redes, y de sus limitaciones”, dice Meyer.

Reid predice que el uso de varias feromonas en vez de una sola, mejorará los algoritmos de optimización de colonias de hormigas en redes dinámicas.

Con la inspiración contínua de las hormigas y los Myxomycota, esperamos averiguar una forma de acelerar nuestra conexión a internet.


Autor: Bridget Murphy
Fecha Original: 14 de febrero de 2011
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