System inteligencji stadnej na przykładzie pszczół

Autorka w czasie swoich badań w laboratorium.

Od wiek wieków zawsze było wiadome, że siła stada jest większa niż siła pojedynczej jednostki. Często w przyrodzie możemy zaobserwować również przewagę inteligencji zachowań stadnych nad inteligencją zachowań pojedynczego osobnika. Definicja inteligencji stadnej mówi nam, że bazuje ona na wiedzy skupionej nad kolektywnym wzorcem zachowań w samoorganizujących sie systemach. System natomiast nie jest jedynie sumą elementów składowych, lecz jest wzbogacony przez relacje między jednostkami systemu. Przykłady takich systemów łatwo możemy odnaleźć w naszym otoczeniu, np.: kolonie mrówek, stada ptaków, ławice ryb, roje pszczół czy kolonie bakterii. Czym właściwie jest ta inteligencja stadna? Celnie opisuje to zjawisko profesor Deborah M. Gordon z Uniwersytetu Stanforda - „Pojedynczy neuron w ludzkim mózgu może reagować na to, jakie uaktywniono połączenia, ale wszystkie one razem mogą być Albertem Einsteinem.”

Jak wcześniej zostało podkreślone inteligencja stadna występuje w samoorganizujących się systemach. Oznacza to, że systemy te nie posiadają struktury kierującej centralnie, dyktującej jak indywidualne jednostki powinny się zachowywać. Robotnice nie maja swojej „szefowej”, ani żołnierze nie mają swojego generała. Natomiast jeśli mówimy o królowej to jej podstawowym zadaniem jest składanie jaj w ulu, bo ona daje początek wszystkim pszczołom w roju. W ulu obowiązuje hierarchia i pszczoły podzielone są pod względem wykonywanych przez nie zadań, które wspólnie wykonują. Jednak same nie są w stanie przedsięwziąć żadnej decyzji, są nieudolne i bezsilne. Jednakże w większym skupisku wykazują możliwość inteligentnego rozwiązywania problemów.

W procesie podejmowania decyzji biorą udział tysiące pszczół, a każda z nich dostarcza ważnych informacji niezbędnych do wyboru właściwego siedliska. Informacje te za każdym razem przekazywane są grupie i żadna z nich nie jest lekceważona [1]. Wymiana informacji jest najważniejszą formą w zdobywaniu wiedzy u pszczół. Spośród wszystkich części ula pod względem wymiany informacji najważniejsza jest arena taneczna, na której zachodzi komunikacja dotycząca źródeł pożywienia. Taniec pszczół nazywany jest tańcem wirowym (kołysanym). Osobniki oglądające tańce przybyłych pszczół, prawdopodobnie zdobywają informacje na temat różnych źródeł pożywienia i decydują, które z nich mogą wybrać. Prawdopodobnie pszczoły zbieraczki dzielą sie liczbą informacji proporcjonalną do zasobu źródła pożywienia. Istnieją informacje, że długość tańca kołysanego jest wprost proporcjonalna do zasobności źródła [2]. Rozróżnia się wśród tańców m.in. taniec okrągły, wywijany czy sierpowaty, a każdy z nich ma inne znaczenie [3]. Kolejnym mechanizmem mającym wpływ na efekt inteligentnych zachowań jest wydzielanie feromonów. W czasie tańca owady rozgrzewają się i wydzielają feromony, które wyczuwają znajdujące się w pobliżu robotnice. Skłania je to do wypełniania zakodowanych w ruchach instrukcji [4]. Kolejnym przykładem są masowe użądlenia pszczół. Owady te czując zagrożenie wydzielają feromony alarmowe, które pobudzają inne pszczoły do atakowania wroga. Istnieją doniesienia, że inteligencja pszczół pozwala im nawet nauczyć się rozumienia „dialektów” innych gatunków pszczół [4].

(fot. St. Czachorowski)

Natura poprzez ewolucję stworzyła miliony rozwiązań prowadzących do udoskonalenia codziennego funkcjonowania organizmów. Zjawiska zachodzące w naturze inspirują naukowców w wielu dziedzinach naszego życia, którzy starają się przełożyć tą wiedze na użyteczne technologie. Najważniejsze algorytmy inspirowane naturą i inteligencją stadną są algorytmy pszczół (Bees Algorithm - BA), optymalizacje kolonią mrówek (Ant Colony Optimisation – ACO) i optymalizacje rojem robaczków świętojańskich (Particle Swarm Optimisation - PSO). Algorytm stada nadaje grupie obiektów realistyczne zbiorowe zachowania, gdzie łącząc kilka względnie prostych reguł można symulować bardzo skomplikowane zachowania stadne. Technologia stada jest szczególnie atrakcyjna bo jest tania, wydajna i prosta [2]. Techniki oparte na inteligencji stadnej mają wiele zastosowań. Inteligencja roju to bardzo obiecująca gałąź sztucznej inteligencji. Jej podstawową zasadą jest współpraca pomiędzy dużą liczbą małych, nieskomplikowanych jednostek - taki system może poradzić sobie z problemami zbyt trudnymi dla jednej, bardzo nawet silnej jednostki obliczeniowej [5]. Bardzo imponujące użycie inteligencji stadnej można odnaleźć w scenach walki z trylogii „Władcy Pierścieni”. Napisano w tym celu oprogramowanie Massive, które kontrolowało całą rzeszę komputerowych aktorów oraz ich stany. Dzięki temu oprogramowaniu stworzono ok. 250 tysięcy postaci. Oprogramowanie to jest dziś wykorzystywane w największych produkcjach filmowych, reklamach grach komputerowych oraz animacjach. Kolejnym z zastosowań jest rozwiązywanie problemów efektywnej ewakuacji ludności z budynków w przypadku zagrożeń. Firmą zajmującą się tym zagadnieniem jest Crowd Dynamics Ltd, która zrealizowała już wiele projektów, a w tym bezpieczeństwa na obiektach olimpiady sportowej w Londynie w 2012 roku [6]. Taniec pszczół stał się inspiracją dla naukowców z Georgia Institute of Technology do zwiększenia wydajności serwerów internetowych. Naukowcy dostrzegają analogię pomiędzy pszczołami, a serwerami, które borykają się z podobnymi ograniczeniami, jeśli chodzi o wydajność. Naukowcy badając pszczeli taniec, opracowali nowy system komunikacyjny dla serwerów. Gdy któryś z nich otrzymuje zapytanie od użytkownika, umieszcza w "sali tanecznej" zaproszenie do współpracy dla innych maszyn. Na zaproszenie odpowiadają serwery, które w danym momencie mają mniej pracy. Im żądanie klienta jest bardziej skomplikowane, a korzyści osiągnięte z jego obsłużenia większe, tym dłużej ważne jest zaproszenie. A im dłużej zaproszenie jest ważne, tym więcej serwerów przyłącza się do jego obsługi. Przeprowadzone testy wykazały, że zastosowanie "pszczelego algorytmu" zwiększyło wydajność serwerów bankowych od 4 do 25% [7].

Jednocześnie uznając wyższość ewolucyjną człowieka nad innymi formami życia, powyższe rozważania wskazują na to, że jeszcze wiele możemy się nauczyć od pozornie prosto zorganizowanych systemów zwierzęcych.

Joanna Dąbkowska 
doktorantka, Zakład Immunologii i Mikrobiologii Żywności PAN

Literatura:

1. http://155.158.112.34/~mboryczka/IntStad/sr_inteligencja.php [23.01.13] 
2. http://155.158.112.34/~algorytmyewolucyjne/materialy/inteligencja_stadna.pdf [23.01.13] 
3. Bornus L. (red.) Encyklopedia pszczelarska, PWRiL, Warszawa 1989 
4. http://portalwiedzy.onet.pl/4868,11127,1493829,1,czasopisma.html [23.01.13] 
5. http://wiadomosci.wp.pl/kat,18032,title,Inteligencja-roju,wid,868695,wiadomosc.html?ticaid=1ff0d [24.01.13] 
6. http://155.158.112.34/~mboryczka/IntStad/is_zastosowanie.php [24.01.13] 
7. http://www.pkzp.bydgoszcz.pl/inne.html [25.01.13]