Создана модель компьютера, в котором вычисления осуществляются при помощи крабов

Логические элементы, использующие массовидное поведение крабов, были применены группой японских исследователей под руководством Юкио-Пегги Ганджи из Университета Кобэ в модели «бильярдного компьютера». Изучение нестандартных видов логических элементов и логических вентилей насущно необходимо, чему несколько причин. Первая относится скорее к теории: современные компьютеры чудовищно неэффективны в энергетическом смысле, а теоретические модели показывают, что те же вычисления можно проводить, затрачивая на восемь порядков меньше энергии.

Вторая — эмпирическая: пиявки и тараканы демонстрируют весьма неплохие возможности сложных логических операций для, например, распознавания образов. Более того, некоторые существа (те же слизевики) вообще обходятся без нейронов и всё равно демонстрируют нечто, что выглядит как логические операции. Учёные уже пробовали использовать для логических операций горячий лёд и слизевиков. Нынешний компьютер основан на роении солдат-крабов вида Mictyris guinotae. Японские исследователи задались вопросом практической реализации так называемого бильярдного компьютера, теоретической разработки 80-х годов.

В такой машине вычисления основаны на динамике бильярдных шаров, которые движутся в некоей геометрически упорядоченной среде, к примеру, по бильярдному столу сложной формы. При столкновении шары разлетаются по определённым правилам. В новой модели вместо шаров использовались стаи крабов-солдат Mictyris guinotae. Сначала по довольно простым правилам были смоделированы движения ракообразных: крабы в центре группы двигались туда, куда и их соседи, поэтому перемещением всей группы управляли только ракообразные по краям. Чтобы контролировать направление движения животных, учёные использовали обычную тень, которая имитировала тень от птиц — главных врагов крабов в естественной среде.

Отсутствие или присутствие такого «бильярдного шара» соответствует «0» и «1». Как говорят сами исследователи, «мы показали, что рои крабов-солдат могут служить логическими элементами, будучи расположенными в геометрически ограниченном окружении». При этом в природе крабы обладают весьма совершенными алгоритмами роения. Вылезая из песка в момент отлива, они или бегут в середине стайки, просто повторяя поведение соседей, или, если находятся на передней кромке стаи, внезапно становятся агрессивными лидерами, способными преодолевать отдельные обводнённые участки, оставшиеся после прилива, увлекая за собой остальных. Когда какое-то случайное препятствие отбрасывает их в середину группы, они тут же вновь превращаются в «конформистов».

Иными словами, их поведение легко сводится к «0» и «1», что и позволяет построить логический элемент.

Когда текущий вожак натыкается на стену, он всегда бежит вдоль неё в направлении, противоположном тому, в котором исследователи расположили «тень птицы». За «командиром» непременно проследуют остальные крабы, таким образом, играя роль бильярдных шаров. При столкновении двух таких «шаров» они сливаются в одну группу, но самое удивительное, как показывают исследования, в том, что вектор их движения описывается стандартной механикой: крабы побегут в направлении, которое является суммой векторов их движения до столкновения, как если бы крабьи рои действительно были бильярдными шарами!

Создав специальные каналы для движения групп крабов, учёные добились симуляции работы не одного логического элемента, но целого «крабьего компьютера». Правда, результаты были смешанными: логический элемент ИЛИ работал просто отлично, а вот логический элемент И показал куда меньшую надёжность. Учёные полагают, что в этом повинна несколько необычная обстановка лабораторных экспериментов: в отсутствие песка и морского воздуха крабы чувствуют себя некомфортно, и «конформизм» внутри стай «не срабатывает».

Они считают, что в следующих экспериментах более дружелюбная среда обязательно сработает. По словам авторов работы, всё это очень перспективно, так как крабы внутри стаи вообще не тратят никаких нервных усилий на «вычислительное» поведение, а затраты крабов-вожаков минимальны и могут быть воспроизведены на более продвинутой элементной базе просто и эффективно. Подготовлено по материалам Technology Review и arXiv-препринта.

Логический вентиль ИЛИ на «крабьей элементной базе» срабатывал в 100% случаев, а вот И был не столь хорош — иногда две группы крабов сливались и выбирали случайный проход. (Здесь и ниже изображения Kobe University.)