Un algoritmo sviluppato in milioni di anni #LegaNerd

Questa storia è incentrata su uno sviluppatore particolare, paziente e preciso, per un algoritmo che potrebbe aprire nuove vie per l’ottimizzazione di reti, la gestione del traffico dati in internet e per applicazione del campo delle telecomunicazioni, trasporti e robotica.

La “mente” è una muffa mucillaginosa giallastra ( :o ), la Physarum Polycephalum, che in milioni di anni ha sviluppato un sistema di adattamento capace di effeturare calcoli complessi (ad esempio indetificare il percorso più breve per raggiungere una fonte di cibo); lo studio matematico del fenomeno è opera dei ricercatori italiani del CNR Vincenzo Bonifaci e Antonio Ruberti.

La Physarum polycephalum ha un caratteristico colore giallo e si sviluppa principalmente in ambienti umidi e freschi, tipicamente zone in ombra di decomposizione di sostanze ligno-cellulose. La sua alimentazione normale è basata su spore e batteri. Si tratta di un organismo unicellulare, costituito sì da un’unica cellula, ma con migliaia di nuclei coordinati tra loro che lo rendono in grado di rispondere a più stimoli contemporaneamente (da cio anche il nome di melma policefala). Viene spesso presa come modello di studio a causa della sua facilità di coltivazione in vitro, in particolare per mobilità ameboide, motilità delle cellule e flusso di spola cioè il processo che permette alla muffa di “camminare” lungo dei tragitti. Altre ricerche più recenti si sono però soffermate su capacità molto più evolute ed interessanti di questo organismo che lo mettono al centro di futuribili studi nello sviluppo di bio-dispositivi di elaborazione.

Ricerche e prospettive future

Esperimenti provenienti dal Giappone hanno messo in luce un’interessante capacità di questa melma, una volta identificati due punti da cui attingere nutrimento ha la capacità di estendersi da uno all’altro seguendo il percorso più breve possibile, aggirando quindi ostacoli ed evitando di occupare zone inutili. L’ottimizzazione del percorso viene effettuata anche aumentando i punti di alimentazione, così da creare una “ragnatela” di vasi di connessione tra le varie zone di aggregazione dei nuclei. I primi aspetti interessanti sono stati messi in luce provando un semplice esperimento: i ricercatori hanno rappresentato l’area intorno a Tokio collocando il cibo in posizione e quantità tale da simulare i diversi agglomerati urbani, la muffa partendo da “Tokio” ha delineato una rete di connessione altamente efficiente tra tutti i punti della mappa.

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Vincenzo Bonifaci e Antonio Ruberti hanno analizzato matematicamente il comportamento della Physarum polycephalum, partendo dalla precedente ricerca dell’università giapponese dell’Hokkaidō. Sono riusciti a mettere in luce come il ritirarsi, l’estendersi, il gonfiarsi e lo sgonfiarsi dei vari “capillari” effettuato dalla muffa per ottimizzare le funzioni biologiche, sia regolato da un complesso algoritmo matematico. La definizione di tale algoritmo può essere la base per sviluppare nuovi sistemi “pensanti” o lo stesso può essere utilizzato per risolvere problemi nel campo dei trasporti e telecomunicazioni.

Si potrebbe dire che l’evoluzione, in milioni di anni, ha messo a punto la regolazione dei capillari della Physarum in modo tale da ottenere l’algoritmo giusto per il problema del cammino più breve (Bonifaci)

Le capacità di questo semplice e pur stufacente organismo non si fermano qui però, è stato evidenziato che sia infatti in grado di “memorizzare” il ricorrere di eventi per lui condizionanti fino a anticiparne la sopraggiunta. La Physarum polycephalum, ad esempio, è stata sottoposta a quattro cicli caldo/freddo in cui durante la fase a bassa temperatura era costretta a rallentare i suoi movimenti, anche non sottoponendola ad un quinto ciclo la muffa rallentava i suoi movimenti in corrispondenza del ciclo freddo non effettuato, ma dopo poco si riadattava alla nuova condizione (Toshiyuki Nakagaki of Hokkaido University). Questo ed altri test hanno evidenziato la grande capacità di queste muffe di rispondere agli stimoli chimico-fisici, tanto da motivare studi di robotica che le coinvolgono.

Dai robot sviluppati in grado di compiere scelte di percorso basate sulle reazioni che la “melma” ha stimoli elettrochimici (come si vede nel video), si è arrivati allo sviluppo di un vero bio-robot denominato Plasmobot. Il Plasmobot rappresenta la punta di una ricerca sui metodi di calcolo non convenzionali ed in particolare sul cosiddetto calcolo amorfo eseguito dall’University of the West of England, a Bristol (Adamatzky et alt.). Il progetto non prevede l’utilizzo di processori al silicio, ma affida tutte le operazioni di calcolo alla muffa che è capace di gestirne parallelamente molte in contemporanea.

Il plasmobot sarà controllato da gradienti spaziali di luce, campi elettromagnetici e dalle caratteristiche del substrato su cui è collocato. Sarà un robot amorfo intelligente completamente controllabile e programmabile in cui è incorporato un computer a parallelismo massiccio.(Adamatzky)

In teoria queste strada potrebbe portarci a soluzioni a base biologica con prestazioni di elaborazione analoghe a quella dei super computer. Questi sono ovviamente solo i primi passi di un processo che potrebbe portare ad una nuova era di calcoratori e di robotica basati su sistemi biologici che addirittura potrebbero parzialmente svincolarci dalla dipendenza dal silicio.

Riferimenti


Andrew Adamatzky; Physarum Machines: Computers from Slime Mold; World Scientific Publishing, 2010
Vincenzo Bonifaci, Kurt Mehlhorn, Girish Varma; Physarum Can Compute Shortest Paths; SODA 2012
S.Tsuda ; K.Zauner, Y.Gunji; Robot Control with Biological Cells; BioSystems 87 (2007) 215–223
Physarum polycephalum (Wikipedia_Eng)
La muffa che guida i robot
la muffa intelligente trova il cibo nel labirinto noi la copiamo
Dall’Intelligenza della muffa…

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venerdì 24 febbraio 2012 - 11:04
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