中央系統(tǒng)指揮控制復(fù)雜系統(tǒng)的益處往往顯而易見。比如通過大腦控制眼睛和腿，我們才能走直線。但這類系統(tǒng)，無論是天然的還是人造的，偶爾也會出現(xiàn)嚴(yán)重漏洞。美國最近部分政府停擺期間，其社會經(jīng)濟(jì)活動的重要領(lǐng)域嚴(yán)重受損。這生動說明了當(dāng)一個國家的中央控制單元突然關(guān)閉的話會產(chǎn)生什么樣的后果。神經(jīng)退行性疾病中腦細(xì)胞的死亡日益摧毀身體的控制者(大腦)，顯示了生物系統(tǒng)也具有同樣弱點。
避開中央系統(tǒng)機(jī)制有其優(yōu)點。缺少一個“大腦”來指導(dǎo)行為意味著單個部件的缺失對集體的行為影響很小。由喬治華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家尼爾·約翰遜(Neil Johnson)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組開發(fā)了一個分散系統(tǒng)模型，該模型成功地模擬了果蠅幼蟲的運(yùn)動。這項研究于2月6日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上。研究表明當(dāng)模型的單個部分功能較弱時，其表現(xiàn)最佳——組件越簡單，整個系統(tǒng)效果越好。相比之下，集中式系統(tǒng)的組成部分只有經(jīng)過改進(jìn)后，其功能才會更好。研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)有可能影響多個領(lǐng)域，從無人駕駛汽車的設(shè)計到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療再到組織結(jié)構(gòu)的各個方面，甚至可能對理解進(jìn)化過程有啟示作用。
分散控制的例子在自然界的生物中比比皆是，在細(xì)菌、粘液菌和蟻群中都能找到。約翰遜在觀察中獲得靈感:由于果蠅幼蟲的神經(jīng)回路非常簡單，在運(yùn)動過程中，果蠅幼蟲的各個部分以半獨(dú)立的方式活動。這是單一生物體中分散控制的一個例子，與蜜蜂或其他具有集體行為的動物所體現(xiàn)的“群體智能”截然相反。盡管沒有中央系統(tǒng)協(xié)調(diào)果蠅幼蟲身體的各個部分，但它們總能實現(xiàn)向期望溫度移動的目標(biāo)——這一過程被稱為趨溫性。
果蠅幼蟲通過收縮身體向前蠕動。當(dāng)幼蟲部分身體延展而另一部分收縮時，它們就會轉(zhuǎn)彎。熱敏神經(jīng)元決定了果蠅身體各個部位的運(yùn)動，這些運(yùn)動的綜合效應(yīng)決定其轉(zhuǎn)向角度。約翰遜說:“幼蟲的協(xié)調(diào)運(yùn)動方式類似于人群協(xié)調(diào)移動從而到達(dá)出口。并不是大家相互電話告知往出口走，而是根據(jù)外界信息，這種集體聚集行為自然而然就會發(fā)生。”
研究人員創(chuàng)建了一個數(shù)學(xué)模型，該模型使用獨(dú)立的組件再現(xiàn)幼蟲的運(yùn)動，這些組件將過去運(yùn)動的結(jié)果存儲在記憶中(如果結(jié)果表明模型與目標(biāo)方向很好地一致，則定義為1，否則定義為0)。每個組件通過參考一組“策略”根據(jù)過去的結(jié)果選擇下一個動作(左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn))，這些策略將過去不同的結(jié)果集合與不同的轉(zhuǎn)彎方向聯(lián)系在一起。研究人員將所有可能策略的不同子集分配給不同的模型組件(與幼蟲中半獨(dú)立的部分相對應(yīng))，在某種程度上改變它們的行為——每個模型代理在每一步都選擇了最佳策略。研究小組發(fā)現(xiàn)這個模型產(chǎn)生的爬行軌跡，看起來非常像幼蟲爬行的真實數(shù)據(jù)，這使得他們相信自己捕捉到了真實系統(tǒng)中的一些本質(zhì)。圣達(dá)菲研究所(Santa Fe Institute)的數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·沃爾伯特(David Wolpert)沒有參與這項研究，他說:“這項研究能和果蠅的爬行軌跡匹配起來真的很棒。表明我們在理解這些問題方面邁出了很好一步。”
這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與組件的記憶規(guī)模的變化有關(guān)。在記憶容量非常小的情況下，模型表現(xiàn)得很差——但是在容量超過一定大小之后，它的性能也會逐漸變差。
如果一個系統(tǒng)的組成部分變得過于聰明(這里用“m”變得越來越大來表示越來越聰明)，那么這個系統(tǒng)就會離預(yù)定目標(biāo)(d區(qū))越來越遠(yuǎn)。圖片來源:Pedro D. Manrique
研究人員使用“群體/反群體”理論來解釋這一結(jié)果，該理論是單獨(dú)的組件如何形成一個擁有一致行為的群體的數(shù)學(xué)描述。當(dāng)記憶容量很小時，就會形成大量的組件，朝著同一個方向推進(jìn)。它們先是大轉(zhuǎn)彎，然后突然轉(zhuǎn)向另一個方向，產(chǎn)生夸張的之字形運(yùn)動。如果這些組件有太多的記憶，群體就會被長久以來由過去的結(jié)果所決定的策略所困，而沒有充分考慮到表明他們偏離了方向這一眼前信息。
在這兩個極端之間會出現(xiàn)一個最佳規(guī)模，即使用相反策略的中等規(guī)模的群體，就像賽艇時船的兩邊都有一半人在劃槳一樣。約翰遜說:“當(dāng)你增加記憶時，就相當(dāng)于過度思考。有太多歷史，就會強(qiáng)化過去的偏見。”沃爾伯特說，有時單一組件處理問題時也會產(chǎn)生類似的效果。他表示:“當(dāng)人們(根據(jù)過去的價值觀)預(yù)測股市時，他們小心翼翼，不去過多關(guān)注過去的見解。因為太關(guān)注過去會帶來雜亂，學(xué)習(xí)起來更加困難。”
該團(tuán)隊聲稱，這項工作可能提供一種新的思路，來思考進(jìn)化是如何實現(xiàn)從天然的分散設(shè)計(如細(xì)菌)跨越到使用集中設(shè)計的人類等生物的。這意味著，在分散設(shè)計中，在不切換到集中設(shè)計的情況下，組件的的“聰明”程度會有一定的限制。該小組下一步計劃研究用激光摧毀果蠅幼蟲的部分神經(jīng)回路(有點像劃槳時部分槳手喪失功能)如何影響運(yùn)動。研究小組還想通過類似于將兩個槳手綁在一起，或者在愚笨的劃手中間插入一個擁有超級記憶的劃手的模式來探索這個模型的行為。最終，約翰遜希望能從該模型中尋求可能的醫(yī)學(xué)意義。未來的研究將探索在帕金森癥等疾病中，給某些肌肉提供有限的反饋是否有助于抑制由大腦控制信號受損引起的震顫。約翰遜說:“我們將考慮在患有一般運(yùn)動神經(jīng)元疾病的情況下，申請經(jīng)費(fèi)準(zhǔn)確完成這一研究。我們不知道它是否實際可行，但在我看來，我們至少已經(jīng)證明了它在理論上是可行的。”
本研究可能應(yīng)用的其他領(lǐng)域包括無人駕駛汽車設(shè)計和組織表現(xiàn)。然而，沃爾伯特很謹(jǐn)慎。他說，該研究沒有將該模型與其他任何模型進(jìn)行比較，因此體現(xiàn)的分散控制優(yōu)于集中控制的方面并不多。他指出，工程系統(tǒng)可以通過簡單的復(fù)制來減輕單個控制的不足。但也有不適用的情況，當(dāng)一組機(jī)器人士兵在執(zhí)行特殊任務(wù)時，作為一個整體，它們工作時需要保持無線電靜默。“機(jī)器人不允許交流，所以它們必須以分散的方式運(yùn)行，”他指出，“這些結(jié)果表明，作為(設(shè)計)工程師，為了實現(xiàn)總體目標(biāo)，至少應(yīng)該考慮限制機(jī)器人的認(rèn)知能力。”
