Построен логический элемент, основанный на поведении крабов

Японские ученые смогли построить логический элемент, основанный на поведении крабов-солдат во время миграции по побережью. Опыты показали, что поведение этих животных служит хорошей моделью логического вентиля, переключающего любой сигнал в одну из двух позиций: "0" или "1". Значит, теперь построение "бильярдного компьютера" становится возможным.

Следует заметить, что на эти исследования ученых подвигла давняя проблема неэффективности вычислений современных компьютеров. То есть, на самом деле, считают-то они хорошо, но вот энергии на это больно много тратят. Расчеты же показывают, что, используя то же количество энергии, можно повысить производительность в восемь-девять раз. Но, конечно, если правильно спроектировать логические вентили.

Напомню, что этим словосочетанием называют базовые элементы цифровой схемы, выполняющие элементарную логическую операцию. А суть этой операции сводится к преобразованию множества входных логических сигналов в один выходной. Проще говоря, такой вентиль должен принять множество данных за раз, на на выход представить один из вариантов — либо "1" (открыть путь потоку), либо "0" (закрыть его). Отсюда и название для элемента — вентиль, ведь он работает с потоками информации также, как обычный сантехнический вентиль регулирует подачу воды.

В настоящее время в созданных человеком цифровых устройствах доминируют электронные логические вентили на базе полевых транзисторов, хотя раньше в качестве этих элементов использовались реле, гидравлические или механические устройства. Однако вопрос стоит вовсе не в том, из чего такой вентиль сделать, а, образно выражаясь, как его настроить. Ведь именно от правильной настройки и зависит эффективность его работы.

Именно поэтому существует интерес к нестандартным схемам устройства логических вентилей. А таковых имеется множество — вспомнить хотя бы популярную в восьмидесятые годы прошлого века схему под названием "бильярдный компьютер". 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 определенным правилам. А само отсутствие или присутствие такого "бильярдного шара" в заданной точке соответствует тем самым позициям вентиля, что на языке двоичного кода обозначаются как "0" и "1".

И вот недавно японские исследователи из Университета Кобэ решили построить модель расположения логических вентилей из такого "бильярдного компьютера". Однако в качестве прототипов они использовали не сами шары, а стаи крабов-солдат Mictyris guinotae. Эти небольшие существа, обитающие в приливно-отливной зоне, обладают весьма совершенными алгоритмами роения. Так, вылезая из песка в момент отлива, они собираются в стаи, члены которых реализуют всего лишь один из двух возможных элементов поведения.

Некоторые крабы просто бегут в середине стайки, повторяя поведение соседей. Другие же попадают, что называется, в "первые ряды", после чего их поведение меняется — из робких "повторюшек" они становятся агрессивными лидерами. Эти лидеры, преодолевая лужи, оставшиеся после отступления воды, уверенно ведут за собой остальных, которые во всем им подчиняются.

Однако их положение все же не особенно прочно — если некое случайное препятствие отбросит такого стихийного вожака вновь в середину стаи, то он растеряет весь свой пыл и превратится из ведущего в ведомого. А тот, кто окажется впереди, станет вожаком группы. Несложно заметить, что все это напоминает работу логического элемента, в частности, уход в середину можно оценить как реализацию позиции "0", а выход на "передовую" — позиции "1". Однако в данном примере эти переключения происходит случайным образом.

Японские же исследователи решили заставить этот крабовый "вентиль" решить вполне конкретную задачу. Для этого был поставлен следующий эксперимент — на пути движения крабов выстроили стенку. Давно было замечено, что если вожак на нее натыкается, то он начинает бежать вдоль нее, увлекая за собой стаю. Для усложнения ситуации в одном из углов экспериментальный площадки был помещен предмет, чья падающая тень была похожа на тень чайки (их крабы боятся и стараются, увидев подобную тень, бежать в противоположном направлении). После чего было отслежено движение нескольких стай крабов.

Все прошло так, как и было предсказано разработчиками модели бильярдного шара. Дойдя до стенки, стайка крабов начинала бежать вдоль нее, а заметив тень птицы, разворачивалась и следовала в дальний противоположный угол. Если во время опыта запускали несколько стаек, то временами они при столкновении сливались в одну группу.

Тем не менее вектор их движения такой составной группы описывался стандартными уравнениями: все члены объединенной стаи всегда бежали в направлении, которое является суммой векторов их движения до столкновения. То есть крабы-солдаты действительно вели себя подобно бильярдным шарам!

В итоге создав на площадке специальные каналы для движения групп крабов, ученые добились симуляции работы не одного логического вентиля, а целого "крабьего компьютера". Правда, результаты в итоге получились неоднозначными. Например, логический вентиль "или" (когда крабы видели тень чайки) работал всегда,.

Но альтернативный вентиль "и" (когда стая двигалась спокойно вдоль стены) не всегда работал — иногда десятиногие "шары" разбегались в разные стороны, разрушая стаю или же метались туда-сюда, не в силах выбрать одно направление. Экспериментаторы предположили, что в этом была виновата необычная обстановка лабораторных экспериментов.

Возможно, при отсутствии песка и морского воздуха крабы чувствовали себя дискомфортно и иногда принимали решение "спасаться по отдельности" (в условиях сильного стресса такое поведение часто срабатывает даже у более высокоорганизованных общественных животных).

Все это насело ученых на мысль, что для последующей серии опытов нужно просто создать более дружелюбную среду. Однако и сейчас они вполне довольны тем, что получилось. По словам исследователей, теперь никто не может сомневаться в том, что: "рои крабов-солдат могут служить логическими элементами, будучи расположенными в геометрически ограниченном окружении". А значит, построение реалистичной модели "бильярдного компьютера" и последующее воплощение этой схемы в жизнь становится вполне возможным…