En model til at designe logiske porte inspireret af en enkeltcellet organisme

Naturfænomener og biologiske mekanismer kan være gode inspirationskilder for forskere, der udvikler matematiske tilgange, computersystemer og robotter. I løbet af de sidste par årtier, forskning har gentagne gange bevist værdien af ​​at replikere adfærd observeret i naturen gennem introduktionen af ​​mange fascinerende bio-inspirerede beregningsteknikker og -systemer.

En adfærd, der har tiltrukket sig særlig opmærksomhed som et middel til at løse komplekse matematiske problemer, er den hos Physarum polycephalum, en encellet slimskimmel, der ofte er blevet brugt som model i undersøgelser, der undersøger biologiske fænomener. I fortiden, at replikere adfærden af ​​denne særlige enkeltcellede organisme har vist sig nyttig til at løse forskellige grafrelaterede og kombinatoriske problemer.

Inspireret af tidligere fund, forskere ved Democritus University of Thrace og University of the West of England har udviklet en model til at designe logiske porte, der delvist er inspireret af P. polycephalums adfærd. Deres papir, oprindeligt offentliggjort på arXiv, vil snart blive offentliggjort i International Journal of Unconventional Computing .

"Vores arbejde var rettet mod at designe en mindre kompliceret cellular automata (CA)-baseret model til at simulere beregningsevnerne hos P. polycephalum, "Karolos-Alexandros Tsakalos, en ph.d. studerende, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Det ultimative mål var at designe mere effektive bio-inspirerede algoritmer til at løse hårde beregningsproblemer."

Undersøgelsen udført af Tsakalos og hans kolleger bygger på holdets tidligere arbejde med at undersøge physarum-inspirerede beregningsværktøjer og maskinlæringsteknikker. Forskernes nye teknik til at designe logiske porte legemliggør principperne for cellulære automater (CA), en klasse af diskrete modeller, der ofte bruges til at løse datalogi, matematik og fysik problemer. Funktionerne i CA blev kombineret med maskinlæringsteknikker, fører til en robust beregningsmodel, der afspejler adfærden hos P. polycephalum.

"Vores model bruger forstærkende læring inden for hvert lokalområde, hvor regler anvendes for at lære, hvad den passende vej mod den endelige destination er, "Nikolaos Dourvas, endnu en ph.d. studerende involveret i studiet, fortalte TechXplore. "Den primære fordel i forhold til tidligere udviklede er dens enkelhed, dens evne til at lære og give stokastisk forskellige resultater, som det blev opdaget i de egentlige biologiske forsøg. "

Den enkle metode introduceret af Tsakalos, Dourvas, og deres kolleger kan bruges til at modellere adfærden hos en række levende organismer. I deres undersøgelse, forskerne anvendte P. polycephalum og testede dens ydeevne til at designe logiske porte i et simuleret miljø, hvor modellen skulle identificere minimale stier i labyrinter indeholdende fødekilder.

"Den mest betydningsfulde præstation af denne undersøgelse er den vellykkede simulering af adfærden og dermed de beregningsmæssige evner hos Physarum polycephalum, ved hjælp af en computermodel, "Dr. Michail-Antisthenis I. Tsompanas, en forsker ved University of the West of England involveret i undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Denne model er inspireret af den iboende parallelitet af cellulære automater, men deres evne til at tilvejebringe tilstrækkelige simuleringer af komplekse fysiske fænomener er yderligere beriget af læringsautomaters stokastik og tilsvarende indlæringsevner. "

Den bio-inspirerede beregningsteknik udtænkt af Tsakalos, Dourvas, Tsompanas og deres kolleger viste sig at præstere betydeligt godt, effektivt modellering af logiske porte i talrige simulerede scenarier. I fremtiden, deres model kunne anvendes på en række meget komplekse matematiske og beregningsmæssige problemer. Det kunne også tilpasses til at replikere adfærden hos andre levende organismer og biologiske fænomener.

"Vi forestiller os, at den foreslåede bio-inspirerede model kan tjene som et effektivt værktøj i yderligere undersøgelser til at modellere adfærden hos andre, endnu mere kompleks, levende organismer og løse lignende grafisk repræsenterede problemer, "Prof. Georgios Ch. Sirakoulis, en forsker ved Democritus University of Thrace, der udførte undersøgelsen, fortalte TechXplore.

© 2020 Science X Network