В НовГУ провели эксперимент по решению математической задачи Штейнера для четырёх точек с помощью слизевика Physarum polycephalum. Слизевик — это одноклеточный желеобразный организм, образующий большую подвижную сеть, похожую на слизь. Способен перемещаться со скоростью до одного сантиметра в час. Для обучения использовались стимулы в виде электрических разрядов.
Автор исследования — студентка Химико-технологического института Анастасия Сереженкова. Научный руководитель — доцент кафедры биологии и биоинформатики Анна Петрова.
Слизевик (миксомицет) — уникальный организм, не являющийся ни грибом, ни растением, ни животным. Он сочетает признаки одноклеточных и многоклеточных существ и обладает удивительными способностями.
На определённой стадии жизненного цикла слизевики имеют вид слизистой массы без твёрдых покровов. По сути, это одна большая многоядерная клетка. Слизевик способен двигаться со скоростью до одного сантиметра в час и покрывать площадь до одного квадратного метра.
— При том, что у слизевика нет нервной системы и мозга, он обладает собственным «интеллектом» и способен решать некоторые задачи, — рассказала Анна Петрова. — Например, умеет выстраивать оптимальные маршруты — это связано с тем, что слизевик стремится максимально экономить ресурсы. Следовательно, обнаружив несколько точек, где есть нужный ему ресурс – например, пища – он стремится объединить эти точки оптимальным, самым коротким путём. Поэтому слизевики интересны не только для биологов, но и для инженеров. Их изучают для создания самоорганизующихся и самовосстанавливающихся сетей, «живых» компьютеров и умных материалов.
Для эксперимента выбрали вид слизевика Physarum polycephalum. Целью было попытасться с помощью слизевика решить задачу Штейнера для четырёх точек. Это классическая задача о поиске кратчайшей сети, соединяющей четыре заданные точки. Спойлер: периметр четырёхугольника, образованного этими точками — неправильное решение. Диагонали четырёхугольника — тоже.
Задача Штейнера относится к NP-трудным задачам. Это значит, что для нахождения оптимального решения требуется перебрать огромное количество вариантов. Поэтому неизвестно, можно ли решить такую задачу за определённый отрезок времени.
— Мы отвели на эксперимент не больше одной недели, — рассказали Анастасия Сереженкова. — Чтобы заставить слизевика двигаться в нужном направлении, мы выбрали в качестве стимулов электрический ток и пищу. Ранее учёные выяснили, что данный организм привлекают слабые разряды тока, примерно 0,5 вольта. При этом, если повысить разряд до одного вольта — ему «не нравится», он начинает уползать от источника тока. Мы решили проверить это на практике.
Для эксперимента соорудили специальную миниатюрную арену, на которой разместили четыре точки. На каждой точке находился медный электрод с подведёнными к нему проводами, а также пищу – овсяные хлопья. Затем на арене разместили Physarum. В первое время его не подвергали действию тока, предоставив возможность спокойно исследовать территорию.
Затем начали «обучение». На 2-5 секунд на электроды подавали ток мощностью 0,5 вольта, далее — 30 секунд перерыва, и так несколько раз.
— После начала обучения слизевик начал формировать сеть, соединяя исходные точки, — рассказала Анастасия Сереженкова. — В итоге он пришёл к конкретной конфигурации оптимального маршрута. Аналогичный опыт провели на контрольной группе (без подачи тока, но с пищей) и на группе, где подавался более высокий ток. Целенаправленный рост к заданным точкам наблюдался только в группе с низким током. В итоге Physarum соединил точки так, как мы и предполагали – по простому решению задачи Штейнера.
Полученные данные приближают нас к возможности использования органического интеллекта для решения инженерных и математических задач. В частности, это NP-задачи, которые содержат так много переменных, что оптимальное решение трудно найти даже искусственному интеллекту.
Эту и другие новости читайте в официальном МАХ-канале Новгородского университета.