复杂系统的中央指挥和控制的好处通常是显而易见的。与大脑沟通的眼睛和腿让我们能够走直线。但是，这种人造或自然系统有时会遭受严重的脆弱性。最近部分政府停摆期间，美国社会经济活动重要领域瘫痪，生动地例证了一个国家的中央控制单元突然关闭时会发生什么。神经退行性疾病中脑细胞的死亡，即身体控制器的消亡，也证明了生物系统中同样的弱点。
避开系统的中央控制有其优势。缺少“大脑”指挥行动意味着个别部件的损失对集体的行为影响甚微。由乔治·华盛顿大学物理学家尼尔·约翰逊领导的团队开发了一种果蝇幼虫分散系统的模型，该模型成功地模拟了它们的运动。《科学进展》杂志2月6日发表的研究表明，当各个部分能力较弱时，该模型表现最佳——更简单的组件使整个系统更有效。相比之下，集中式系统随着其组件部件的改进而更好地发挥作用。研究人员认为，这一见解有可能为从自动驾驶汽车设计到神经疾病治疗再到组织结构等各个方面提供信息。它甚至可能对理解进化过程产生影响。
分散控制在自然界中普遍存在，在细菌、粘菌和蚂蚁群落中都可以找到。约翰逊的灵感来自于对果蝇（果蝇）幼虫神经回路简单性的观察，即幼虫的各个节段在运动过程中以半独立的方式行动。这代表了单个生物体中分散控制的一个例子，而不是蜜蜂或其他集体实体所显示的“群体智能”。尽管缺乏对其各部分的中央协调，但幼虫总是能实现朝向首选温度移动的目标——这个过程被称为趋温性。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
幼虫通过收缩波向前推进。当节段在一侧扩张而在另一侧收缩时，它们会转弯。温度感应神经元决定节段运动，这些运动的综合效应决定了转弯角度。“幼虫的协调方式类似于人群协调移动到出口的方式，”约翰逊说。“并不是每个人都在互相打电话，而是，鉴于外部信息，存在这种集体的蜂拥行为。”
研究人员创建了一个数学模型，该模型使用独立的组件或“代理”来重现幼虫的运动，这些组件将过去运动的结果存储在内存中（如果结果使模型更好地与目标方向对齐，则定义为 1，否则为 0）。每个代理根据过去结果的历史记录，通过参考一组“策略”来选择下一个动作（左转/右转），这些策略将不同的过去结果集与不同的转弯方向相关联。研究人员为不同的模型代理分配了所有可能策略的不同子集，对应于幼虫中的半独立节段，使它们的行为略有不同——并且它们中的每一个都在每个步骤中选择了其表现最佳的策略。该团队发现，该模型产生的爬行轨迹看起来与来自幼虫的真实数据非常相似，这使他们相信他们已经捕捉到了真实系统的本质。“它与果蝇的匹配程度真是太酷了，”圣塔菲研究所的数学家大卫·沃尔珀特说，他没有参与这项研究。“这是一项非常清晰的研究，也是在理解这些问题方面迈出的良好一步。”
关键发现与代理内存大小的变化有关。在内存容量非常小的情况下，模型表现不佳——但在内存超过一定大小后，其性能也逐渐变差。
研究人员使用“人群/反人群”理论来解释这一结果，该理论是对独立代理如何形成协同行为群体的数学解释。当内存容量小时，会形成大量代理人群，都朝同一方向推进。他们首先进行大转弯，然后突然切换回另一个方向，产生夸张的之字形运动。如果代理的内存过多，人群会陷入由很久以前的结果决定的策略中，而没有充分考虑表明他们已经偏离航向的最新信息。
这些极端之间的最佳点产生了使用相反策略的中等规模人群，类似于划船队的两半队员在船的两侧划桨。“随着你增加记忆力，这相当于过度思考，”约翰逊说。“你的历史记录太多了，加强了过去的偏见。”沃尔珀特说，有时在单个代理处理问题时也会看到类似的效果。“当人们[从一系列过去的值]预测股市时，他们会小心不要看太多的过去点，”他说。“那是混乱；这使得学习问题更加困难。”
该团队声称，这项工作可能为思考进化如何从分散的自然设计（如细菌）跃升到人类等生物的集中式计划提供了一种新方法。这意味着在分散式设计中，组件变得“智能”的程度可能存在限制，而不会切换到集中式设计。该小组接下来计划研究用激光敲除幼虫神经回路的一部分（有点像使单个划船队员丧失能力）如何影响运动。该团队还希望通过将两个划船队员拴在一起或在迟钝者中投入一个具有超强记忆力的人，来探索模型的行为。最终，约翰逊希望追求可能的医疗意义。未来的研究将探索是否向某些肌肉提供有限的反馈（例如，基于它们是否已超过目标）可能有助于减轻帕金森病等疾病中大脑控制信号受损引起的震颤。“我们将提交一份资助申请，专门针对一般的运动神经元疾病进行这项研究，”约翰逊说。“我们不知道这是否可行，但我认为我们已经证明了这在理论上是可能的。”
这项研究可能应用的其他领域包括自动驾驶汽车设计和组织绩效。然而，沃尔珀特对此持谨慎态度。他说，这项研究没有将该模型与任何其他模型进行比较，因此很少告诉我们分散控制相对于集中控制的相对优点。他指出，工程系统可以通过简单地复制控制器来减轻单个控制器的脆弱性。一个不适用这种情况的场景是机器人士兵团队执行特殊任务，在他们作为一个单元工作时需要无线电静默。“机器人不允许通信，因此它们必须以分散的方式运行，”他指出。“这些结果表明，作为[设计]工程师，您至少可以考虑限制机器人的认知能力，以实现总体目标。”