Как муравьи строят эффективные транспортные сети

Исследователи из отдела математики Уппсальского университета, используя математическое моделирование и полевые данные, выявили базовые правила, которые позволяют муравьям строить эффективные и недорогие транспортные сети, не жертвуя их надёжностью. Исследование опубликовано в журнале Королевского общества Interface.

Транспортные сети — основа современного мира, но их проектировщики сталкиваются с противоречивыми целями: сети должны быть эффективными (кратчайшие пути), надёжными (устойчивыми к сбоям) и недорогими в строительстве.

В поисках решения учёные обратились к природе, изучив процесс спонтанного формирования естественных транспортных сетей, таких как тропы австралийских мясных муравьёв (Iridomyrmex purpureus). Двухлетнее полевое исследование предоставило обширный набор данных о нескольких сетях троп, соединяющих разные гнёзда на большой территории.

«Удивительно, что эти муравьи не полагаются на инженерное планирование, но тем не менее находят специфический баланс между дешевизной, эффективностью и надёжностью», — объясняет Таня Лэтти, биолог из Сиднейского университета.

Математики из Уппсальского университета разработали модель, чтобы понять, как формируются эти сети. Используя данные и численное моделирование, они определили общий механизм локальной минимизации затрат как базовое правило, ведущее к балансу между конкурирующими целями проектирования.

Исследование показало, что при постройке нового гнезда муравьи соединяют его с ближайшим доступным гнездом и, возможно, с деревом (источником пищи), если оно не слишком далеко.

«Обнаружив, что делает природа, мы попытались применить те же простые правила, чтобы предсказать, что произошло бы с созданными человеком системами, например, с электросетями, если бы их строили эти муравьи», — говорит аспирант Уппсальского университета Арианна Боттинелли.

Оказалось, что при строительстве нового района достаточно подключить его к ближайшему городскому району, чтобы вся энергосеть в долгосрочной перспективе была относительно недорогой, но при этом достаточно эффективной. Надёжность же можно увеличить или уменьшить, меняя частоту подключения новых районов к сервисным центрам — в данном примере, к электростанциям.

«Это ещё один шаг к пониманию природы и попытка использовать наши наблюдения для улучшения и консультирования проектирования созданных человеком систем», — говорит профессор отдела математики Уппсальского университета Дэвид Дж. Т. Самптер.