中央系統(tǒng)指揮控制復(fù)雜系統(tǒng)的益處往往顯而易見(jiàn)。比如通過(guò)大腦控制眼睛和腿，我們才能走直線。但這類(lèi)系統(tǒng)，無(wú)論是天然的還是人造的，偶爾也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重漏洞。美國(guó)最近部分政府停擺期間，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要領(lǐng)域嚴(yán)重受損。這生動(dòng)說(shuō)明了當(dāng)一個(gè)國(guó)家的中央控制單元突然關(guān)閉的話會(huì)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(diǎn)。
避開(kāi)中央系統(tǒng)機(jī)制有其優(yōu)點(diǎn)。缺少一個(gè)“大腦”來(lái)指導(dǎo)行為意味著單個(gè)部件的缺失對(duì)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(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一個(gè)分散系統(tǒng)模型，該模型成功地模擬了果蠅幼蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)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(gè)部分功能較弱時(shí)，其表現(xiàn)最佳——組件越簡(jiǎn)單，整個(gè)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(guò)改進(jìn)后，其功能才會(huì)更好。研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)有可能影響多個(gè)領(lǐng)域，從無(wú)人駕駛汽車(chē)的設(shè)計(jì)到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療再到組織結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面，甚至可能對(duì)理解進(jìn)化過(guò)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(chóng)的神經(jīng)回路非常簡(jiǎn)單，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，果蠅幼蟲(chóng)的各個(gè)部分以半獨(dú)立的方式活動(dòng)。這是單一生物體中分散控制的一個(gè)例子，與蜜蜂或其他具有集體行為的動(dòng)物所體現(xiàn)的“群體智能”截然相反。盡管沒(méi)有中央系統(tǒng)協(xié)調(diào)果蠅幼蟲(chóng)身體的各個(gè)部分，但它們總能實(shí)現(xiàn)向期望溫度移動(dòng)的目標(biāo)——這一過(guò)程被稱(chēng)為趨溫性。
果蠅幼蟲(chóng)通過(guò)收縮身體向前蠕動(dòng)。當(dāng)幼蟲(chóng)部分身體延展而另一部分收縮時(shí)，它們就會(huì)轉(zhuǎn)彎。熱敏神經(jīng)元決定了果蠅身體各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的綜合效應(yīng)決定其轉(zhuǎn)向角度。約翰遜說(shuō):“幼蟲(chóng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)方式類(lèi)似于人群協(xié)調(diào)移動(dòng)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(huì)發(fā)生。”
研究人員創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型使用獨(dú)立的組件再現(xiàn)幼蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)，這些組件將過(guò)去運(yùn)動(dòng)的結(jié)果存儲(chǔ)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(gè)組件通過(guò)參考一組“策略”根據(jù)過(guò)去的結(jié)果選擇下一個(gè)動(dòng)作(左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn))，這些策略將過(guò)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(chóng)中半獨(dú)立的部分相對(duì)應(yīng))，在某種程度上改變它們的行為——每個(gè)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(gè)模型產(chǎn)生的爬行軌跡，看起來(lái)非常像幼蟲(chóng)爬行的真實(shí)數(shù)據(jù)，這使得他們相信自己捕捉到了真實(shí)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(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō):“這項(xiàng)研究能和果蠅的爬行軌跡匹配起來(lái)真的很棒。表明我們?cè)诶斫膺@些問(wèn)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(guò)一定大小之后，它的性能也會(huì)逐漸變差。
如果一個(gè)系統(tǒng)的組成部分變得過(guò)于聰明(這里用“m”變得越來(lái)越大來(lái)表示越來(lái)越聰明)，那么這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)離預(yù)定目標(biāo)(d區(qū))越來(lái)越遠(yuǎn)。圖片來(lái)源:Pedro D. Manrique
研究人員使用“群體/反群體”理論來(lái)解釋這一結(jié)果，該理論是單獨(dú)的組件如何形成一個(gè)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(shí)，就會(huì)形成大量的組件，朝著同一個(gè)方向推進(jìn)。它們先是大轉(zhuǎn)彎，然后突然轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，產(chǎn)生夸張的之字形運(yùn)動(dòng)。如果這些組件有太多的記憶，群體就會(huì)被長(zhǎng)久以來(lái)由過(guò)去的結(jié)果所決定的策略所困，而沒(méi)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(gè)極端之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(shí)船的兩邊都有一半人在劃槳一樣。約翰遜說(shuō):“當(dāng)你增加記憶時(shí)，就相當(dāng)于過(guò)度思考。有太多歷史，就會(huì)強(qiáng)化過(guò)去的偏見(jiàn)。”沃爾伯特說(shuō)，有時(shí)單一組件處理問(wèn)題時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的效果。他表示:“當(dāng)人們(根據(jù)過(guò)去的價(jià)值觀)預(yù)測(cè)股市時(shí)，他們小心翼翼，不去過(guò)多關(guān)注過(guò)去的見(jiàn)解。因?yàn)樘P(guān)注過(guò)去會(huì)帶來(lái)雜亂，學(xué)習(xí)起來(lái)更加困難。”
該團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)，這項(xiàng)工作可能提供一種新的思路，來(lái)思考進(jìn)化是如何實(shí)現(xiàn)從天然的分散設(shè)計(jì)(如細(xì)菌)跨越到使用集中設(shè)計(jì)的人類(lèi)等生物的。這意味著，在分散設(shè)計(jì)中，在不切換到集中設(shè)計(jì)的情況下，組件的的“聰明”程度會(huì)有一定的限制。該小組下一步計(jì)劃研究用激光摧毀果蠅幼蟲(chóng)的部分神經(jīng)回路(有點(diǎn)像劃槳時(shí)部分槳手喪失功能)如何影響運(yùn)動(dòng)。研究小組還想通過(guò)類(lèi)似于將兩個(gè)槳手綁在一起，或者在愚笨的劃手中間插入一個(gè)擁有超級(jí)記憶的劃手的模式來(lái)探索這個(gè)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(lái)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(hào)受損引起的震顫。約翰遜說(shuō):“我們將考慮在患有一般運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的情況下，申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)準(zhǔn)確完成這一研究。我們不知道它是否實(shí)際可行，但在我看來(lái)，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(wú)人駕駛汽車(chē)設(shè)計(jì)和組織表現(xiàn)。然而，沃爾伯特很謹(jǐn)慎。他說(shuō)，該研究沒(méi)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(guò)簡(jiǎn)單的復(fù)制來(lái)減輕單個(gè)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(shí)，作為一個(gè)整體，它們工作時(shí)需要保持無(wú)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(jì))工程師，為了實(shí)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。”
