Муравьи и алгоритмы

Традиционные методы расчета инженерных сооружений — сначала вычисляются максимальные нагрузки, которые будет испытывать конструкция, а затем вводится дополнительный запас прочности — оказываются слишком трудоемкими и дорогостоящими. Дедал пытается найти способ устранить любой элемент случайности и избежать опасности, таящейся в скрытых дефектах конструкции путем измерения реальных нагрузок и соответствующей подгонки сооружения. В этой связи Дедал вспоминает о загадочных повадках термитов. Эти прожорливые точильщики не грызут дерево с поверхности, а проделывают внутри сеть сложнейших лабиринтов, так что оставшаяся оболочка рассыпается в прах при малейшем прикосновении. Дедал приходит к заключению, что эти хитроумные существа должны каким-то образом чувствовать внутренние напряжения в дереве, которое они грызут, и знают, когда дальнейшее разрушение может привести к катастрофическому обвалу[38]. Известно, что термиты способны переваривать дерево благодаря особой микрофлоре в их желудке (Tricho-nympha). Дедал предлагает заменить эту микрофлору другими микроорганизмами. Как известно, в последнее время появилось множество микроорганизмов, которые питаются новыми материалами, созданными человеком. Обнаружены микробы, поедающие пластмассы; грибки, живущие на стекле или алюминии, и т. п. — их-то и следует, считает Дедал, поселить в желудках термитов. Тогда, подвергнув фюзеляж самолета или какую-либо другую важную конструкцию действию максимальных предполагаемых нагрузок, следует напустить туда термитов. Термиты выберут весь излишек металла, оставив после себя губчатую структуру, обеспечивающую заданную прочность при минимальном весе. Благодаря своей способности чувствовать внутренние напряжения в материале термиты смогут «учесть» все конструктивные и производственные дефекты конструкции. Единственная сложность будет, по-видимому, состоять в том, чтобы не дать насекомым разбежаться после того, как они выполнят свою задачу, ибо трудно даже представить себе, какие разрушения они способны произвести, вырвавшись на волю. Но при действии тепла микрофлора в желудке термитов уничтожается раньше, чем они сами, и насекомые погибают от несварения желудка. Дедал надеется вывести нетеплостойкие виды микробов, разрушающих металл, тогда термитов можно будет обезвредить тепловой обработкой.

New Scientist, July 14, 1966

Дедал не перестает поражаться тонкости инстинктов насекомых. Жук-трубковерт делает на листе точнейший криволинейный разрез, паук плетет великолепное кружево паутины, термиты строят свои архитектурные шедевры, — все это примеры проявления слепого инстинкта. Это побудило Дедала задуматься над вопиющим несоответствием, наблюдаемым в современной технике: в то время как в области микроэлектроники достигнут колоссальный прогресс, механические конструкции по-прежнему остаются довольно неуклюжими. Дедал надеется, что подобное положение дел удастся исправить, обратившись за помощью к насекомым. Он вспоминает, что пауки, подвергнутые действию радиации, нередко начинают плести очень странные паутины. Должно быть, облучение изменяет программу, заложенную в их инстинктах; поэтому Дедал облучает яйца муравьев, пауков, ос и т. п. и наблюдает за инстинктами рождающихся мутантов. Большинство из них, разумеется, нежизнеспособны, однако некоторые могут оказаться полезными с практической точки зрения. (В будущем методы генной инженерии, вероятно, позволят целенаправленно программировать инстинкты.) Прежде всего Дедал стремится развить у несекомых способность соединять электрические проводники — тогда муравьев можно будет использовать для монтажа интегральных микросхем; сейчас этим заняты тысячи людей, вооруженных микроскопами и микроманипуляторами. Более трудоемкую работу будут выполнять целые бригады насекомых. Строительные инстинкты насекомых по существу очень просты: они описываются алгоритмами, содержащими не более 4–5 отдельных команд. Было бы очень интересно исследовать алгоритмы, позволяющие насекомым осуществлять монтажно-сборочные операции.

Изготовление сложного прибора, например телефонного аппарата, не удастся описать одним простым алгоритмом. Каждую деталь или отдельный узел придется поручить специализированным бригадам насекомых, наделенных соответствующими инстинктами; другие бригады будут собирать эти узлы в единое целое. Однако по нашим нынешним меркам полученная таким образом продукция будет выглядеть весьма странно. Во-первых, никакие две конструкции не будут одинаковыми, они не будут иметь ни строгих геометрических линий, ни точных размеров. В них удивительным образом будут сочетаться изысканность и уродство форм и очертаний. И тем не менее сам принцип их изготовления гарантирует высокую надежность. Если же возникнет какая-то неполадка, то прибор достаточно будет вернуть на соответствующий участок конвейера, где трудолюбивые насекомые сами ее исправят.

New Scientist, February 26, 1981

Комментарий Дедала

Термиты известны своей способностью подтачивать деревянные сооружения изнутри, вследствие чего те разрушаются при малейшем прикосновении. Рассказывают, например, как в Индии колышки на поле для игры в крокет были по недосмотру оставлены на ночь. На другой день во время матча игрок одним ударом прошел все воротца, которые буквально разлетелись в пыль. Этот невероятный рекорд стал возможен благодаря термитам, под покровом ночи совершившим коварную «диверсию».

В своей лекции памяти Джейкоба Броновского, прочитанной в 1979 г. в Массачусетсом технологическом институте, Филип Моррисон привел пример строительного алгоритма термитов. Из измельченного дерева и собственной слюны термиты вырабатывают липкую смесь, напоминающую папье-маше. Крупинки этой смеси склеиваются друг с другом и затвердевают. При постройке термитника — очень сложной конструкции, достигающей шестиметровой высоты, — каждое из насекомых слепо руководствуется следующим алгоритмом:

1. Сделать столбик из крупинок.

2. Когда столбик достиг определенной высоты, посмотреть, нет ли поблизости более высокого столбика, — если есть, то оставить свой столбик и продолжать работу на более высоком.

3. Когда столбик достиг еще большего размера, посмотреть, нет ли по соседству столбика, который можно соединить со своим. Если нет, оставить свой столбик и искать другой подходящий столбик рядом.

4. Если по соседству имеется подходящий столбик, соединить его со своим перемычкой. Далее продолжать все сначала.

Руководствуясь этим алгоритмом, тысячи неорганизованных насекомых строят в результате сложный многоярусный лабиринт. У них нет ни планов, ни чертежей; нет и двух одинаковых термитников, однако все термитники служат прекрасными домами для этих насекомых. По-виднмому, алгоритм должен содержать дополнительные инструкции, предусматривающие, скажем, сводчатую форму сооружения или его ориентацию (термитники нередко вытянуты с севера на юг), но даже такой алгоритм неизмеримо проще самого примитивного эскиза. Разработка конструкций, создаваемых по подобным алгоритмам, могла бы стать одним из направлений в архитектуре.

С разрешения редакции New Scientist.

Примечания:

3

Следует заметить, что отмывание грязи — не только физический, но и химический процесс, связанный, например, с омылением эфиров и превращением детергента из соли в свободную кислоту или соль кальция или магния, плохо растворимую в воде, так что детергент может быть сам подвергнут электролизу и частичному растворению. Поэтому метод, предложенный Дедалом, вряд ли поможет нам добиться «сверкающей чистоты». — Прим. ред.

38

Способность термитов «чувствовать» внутренние напряжения в дереве скорее всего объясняется просто тем, что поверхностная и объемная прочность дерева различна. — Прим. ред.