{1, 1}→ {0, 1} trasformazione del modello proposto sulla porta P2 con presenza di plasmodio sull'uscita p. Credito:Floros et al.
I fenomeni naturali e i meccanismi biologici possono essere grandi fonti di ispirazione per gli scienziati che sviluppano approcci matematici, sistemi informatici e robot. Negli ultimi decenni, la ricerca ha ripetutamente dimostrato il valore di replicare i comportamenti osservati in natura attraverso l'introduzione di molte affascinanti tecniche e sistemi computazionali di ispirazione bio.
Un comportamento che ha attirato particolare attenzione come mezzo per risolvere problemi matematici complessi è quello di Physarum polycephalum, una muffa melmosa unicellulare che è stata spesso utilizzata come modello negli studi che indagano sui fenomeni biologici. Nel passato, replicare il comportamento di questo particolare organismo unicellulare si è dimostrato utile per risolvere diversi problemi legati ai grafi e combinatori.
Ispirato da precedenti scoperte, i ricercatori della Democritus University of Thrace e dell'Università dell'Inghilterra occidentale hanno sviluppato un modello per la progettazione di porte logiche che è in parte ispirato al comportamento di P. polycephalum. La loro carta, inizialmente pubblicato su arXiv, sarà presto pubblicato in Rivista internazionale di informatica non convenzionale .
"Il nostro lavoro mirava a progettare un modello basato su automi cellulari (CA) meno complicato per simulare le capacità computazionali di P. polycephalum, " Karolos-Alexandros Tsakalos, un dottorato di ricerca studente che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "L'obiettivo finale era progettare algoritmi di ispirazione biologica più efficienti per risolvere problemi computazionali difficili".
Lo studio condotto da Tsakalos e dai suoi colleghi si basa sul lavoro precedente del team che indagava sugli strumenti computazionali ispirati al physarum e sulle tecniche di apprendimento automatico. La nuova tecnica dei ricercatori per la progettazione di porte logiche incorpora i principi degli automi cellulari (CA), una classe di modelli discreti spesso usati per risolvere l'informatica, problemi di matematica e fisica. Le funzionalità di CA sono state combinate con tecniche di apprendimento automatico, portando a un modello computazionale robusto che riflette il comportamento di P. polycephalum.
{1, 1} → {1, 1} trasformazione del modello proposto sulla porta P1. Credito:Floros et al.
"Il nostro modello utilizza l'apprendimento per rinforzo all'interno di ciascuna area locale in cui vengono applicate le regole per apprendere quale sia il percorso appropriato verso la destinazione finale, "Nikolaos Dourvas, un altro dottorato studente coinvolto nello studio, ha detto a TechXplore. "Il vantaggio principale rispetto a quelli sviluppati in precedenza è la sua semplicità, la sua capacità di apprendere e fornire risultati stocasticamente diversi, come è stato scoperto negli esperimenti biologici reali."
Il metodo semplice introdotto da Tsakalos, Dourvas, e i loro colleghi possono essere usati per modellare il comportamento di una varietà di organismi viventi. Nel loro studio, i ricercatori hanno applicato P. polycephalum e ne hanno testato le prestazioni nella progettazione di porte logiche all'interno di un ambiente simulato, dove il modello doveva identificare percorsi minimi in labirinti contenenti fonti di cibo.
"Il risultato più significativo di questo studio è la simulazione riuscita del comportamento e quindi delle capacità computazionali di Physarum polycephalum, utilizzando un modello informatico, "Dott. Michail-Antisthenis I. Tsompanas, un ricercatore dell'Università dell'Inghilterra occidentale coinvolto nello studio, ha detto a TechXplore. "Questo modello si ispira al parallelismo intrinseco degli automi cellulari, ma la loro capacità di fornire simulazioni adeguate di fenomeni fisici complessi è ulteriormente arricchita dalla stocasticità degli automi di apprendimento e delle corrispondenti capacità di apprendimento".
La tecnica computazionale di ispirazione bio ideata da Tsakalos, Dourvas, Tsompanas e i loro colleghi si sono comportati molto bene, modellare efficacemente le porte logiche in numerosi scenari simulati. Nel futuro, il loro modello potrebbe essere applicato a una varietà di problemi matematici e computazionali altamente complessi. Potrebbe anche essere adattato per replicare il comportamento di altri organismi viventi e fenomeni biologici.
"Prevediamo che il modello bio-ispirato proposto possa servire come strumento efficiente in ulteriori studi per modellare il comportamento di altri, ancora più complesso, organismi viventi e risolvere problemi simili rappresentati graficamente, " Prof. Georgios Ch. Sirakoulis, un ricercatore della Democritus University of Thrace che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore.
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