Логические вентили, использующие массовидное поведение крабов, были использованы группой японских исследователей под руководством из в модели «бильярдного компьютера».
Одно из перспективных направлений исследований в области электроники – исследование нестандартных видов логических вентилей и . Причин много. Первая теоретическая – обычные современные компьютеры чудовищно неэффективны в энергетическом смысле. Теоретически модели показывают, что те же вычисления можно проводить, затрачивая на много порядков меньше энергии. Вторая, скорее, эмпирическая – пиявки и тараканы демонстрируют весьма неплохие возможности сложных логических операций для, например, распознавания образов. Более того, некоторые существа, как те же слизевики, вообще обходятся без всяких нейронов, и все равно демонстрируют нечто, что выглядит как логические операции.
До этого учёные уже пробовали использовать для логических операций горячий лёд и . Нынешний компьютер основан на роении солдат-крабов вида Mictyris guinotae .
Логический вентиль ИЛИ на крабовой элементной базе срабатывал в 100% случаев, а вот И работал не столь хорошо, иногда две группы крабов сливались и выбирали случайных проход. (Здесь и ниже изображения Университета Кобэ.)
В рамках работы ученые задались вопросом практической реализации так называемого бильярдного компьютера, теоретической разработки 80-х годов. В такой машине вычисления основаны на динамике бильярдных шаров, которые движутся в некой геометрически упорядоченной среде, например, по бильярдному столу сложной формы. При столкновении шары разлетаются по определённым правилам. В новой модели вместо шаров использовались стаи крабов-солдат Mictyris guinotae. Сначала специалисты смоделировали движение ракообразных на компьютере. Правила перемещения были достаточно простые: крабы в центре группы двигались туда, куда и их соседи, поэтому движением всей группы управляли только ракообразные по краям. Чтобы контролировать направление движения животных, ученые использовали обычную тень, которая имитировала тень от птиц – главных врагов крабов в естественной природе.
Отсутствие или присутствие такого «бильярдного шара» соответствует 0 и 1. Как говорит сам Юкио-Пегги Ганджи: «Мы продемонстрировали, что рои крабов-солдат могут служить логическими вентилями, будучи расположенными в геометрически ограниченном окружении».
Размер экспериментальной установки невелик, однако она вполне позволяла моделировать более чем один логический вентиль. «Тень птицы» создается маленькой пластиковой пластинкой.
При этом крабы в естественной среде обладают весьма совершенными алгоритмами роения. Вылезая из песка в момент отлива, они или бегут в середине стайки, просто повторяя поведение окружающих, или, если они находятся на передней кромке стаи, внезапно становятся агрессивными лидерами и способны преодолевать отдельные обводнённые участки, оставшиеся после прилива, заставляя своим поведением бежать за собой остальных крабов. Когда какое-то случайное препятствие отбрасывает их в середину стаи, они тут же вновь становятся «конформистами», которым практически не приходится самостоятельно продумывать поведение и маршрут следования. Иными словами, их поведение легко сводится к 0 и 1, что и позволяет построить на базе их стай логический вентиль. Когда их текущий лидер натыкается на стену, он всегда бежит вдоль неё в направлении противоположном тому, в котором исследователи расположили «тень птицы». За лидером побегут и остальные крабы, таким образом, играя роль бильярдных шаров.
При столкновении двух таких «шаров» они сливаются в одну группу, но самое удивительное, как показывают исследования японцев, что вектор их движения описывается стандартной механикой – они побегут в направлении, которое является суммой векторов их движения до столкновения, как если бы крабьи рои действительно были бильярдными шарами.
Создав специальные каналы для движения роёв крабов, учёные добились симуляции работы не одного логического вентиля, а целого крабового компьютера. Правда результаты были смешанными: логический вентиль ИЛИ работал просто отлично, а вот логический вентиль И был значительно менее надёжным. Учёные полагают, что несколько необычная обстановка лабораторных экспериментов повинна в этом: в отсутствии песка и морского воздуха крабы чувствуют себя некомфортно и конформизм внутри стай «не срабатывает». Они считают, что более дружелюбная обстановка может поправить дело в следующих экспериментах.
По их словам, исследование всё же очень перспективно, так как крабы внутри стаи вообще не тратят никаких усилий нервной системы на «вычислительное» поведение, а затраты усилий крабов-лидеров минимальны и могут быть воспроизведены в более продвинутой элементной базе крайне просто и эффективно. При этом сам факт возможности создания компьютера, хотя бы и простейшего, на базе роев крабов действительно примечателен.
Комментариев нет:
Отправить комментарий