{1, 1}→ {0, 1} transformation du modèle proposé sur la porte P2 avec présence de plasmodium sur la sortie p. Crédit :Floros et al.
Les phénomènes naturels et les mécanismes biologiques peuvent être de grandes sources d'inspiration pour les scientifiques développant des approches mathématiques, systèmes informatiques et robots. Au cours des dernières décennies, la recherche a maintes fois prouvé la valeur de la réplication des comportements observés dans la nature grâce à l'introduction de nombreuses techniques et systèmes de calcul bio-inspirés fascinants.
Un comportement qui a particulièrement attiré l'attention comme moyen de résoudre des problèmes mathématiques complexes est celui de Physarum polycephalum, une moisissure visqueuse unicellulaire qui a souvent été utilisée comme modèle dans les études sur les phénomènes biologiques. Autrefois, reproduire le comportement de cet organisme unicellulaire particulier s'est avéré utile pour résoudre différents problèmes liés aux graphes et combinatoires.
Inspiré des découvertes précédentes, des chercheurs de l'Université Democritus de Thrace et de l'Université de l'Ouest de l'Angleterre ont développé un modèle de conception de portes logiques qui s'inspire en partie du comportement de P. polycephalum. Leur papier, initialement publié sur arXiv, sera bientôt publié dans le Journal international d'informatique non conventionnelle .
"Notre travail visait à concevoir un modèle basé sur des automates cellulaires (AC) moins compliqué pour simuler les capacités de calcul de P. polycephalum, " Karolos-Alexandros Tsakalos, un doctorat étudiant qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "L'objectif ultime était de concevoir des algorithmes bio-inspirés plus efficaces pour résoudre des problèmes de calcul difficiles."
L'étude menée par Tsakalos et ses collègues s'appuie sur les travaux antérieurs de l'équipe sur les outils de calcul inspirés du physarum et les techniques d'apprentissage automatique. La nouvelle technique des chercheurs pour concevoir des portes logiques incarne les principes des automates cellulaires (AC), une classe de modèles discrets souvent utilisés pour résoudre l'informatique, problèmes de mathématiques et de physique. Les fonctionnalités de l'AC ont été combinées avec des techniques d'apprentissage automatique, conduisant à un modèle informatique robuste qui reflète le comportement de P. polycephalum.
{1, 1} → {1, 1} transformation du modèle proposé sur la porte P1. Crédit :Floros et al.
"Notre modèle utilise l'apprentissage par renforcement au sein de chaque zone locale où des règles sont appliquées afin d'apprendre quel est le chemin approprié vers la destination finale, " Nikolaos Dourvas, un autre doctorat étudiant impliqué dans l'étude, a déclaré TechXplore. « Le principal avantage par rapport à ceux développés précédemment est sa simplicité, sa capacité à apprendre et à fournir des résultats stochastiquement différents, comme il a été découvert dans les expériences biologiques réelles."
La méthode simple introduite par Tsakalos, Dourvas, et leurs collègues peuvent être utilisés pour modéliser le comportement d'une variété d'organismes vivants. Dans leur étude, les chercheurs ont appliqué P. polycephalum et testé ses performances dans la conception de portes logiques dans un environnement simulé, où le modèle devait identifier des chemins minimaux dans des labyrinthes contenant des sources de nourriture.
"La réalisation la plus significative de cette étude est la simulation réussie du comportement et donc des capacités de calcul de Physarum polycephalum, à l'aide d'un modèle informatique, " Dr Michail-Antisthénis I. Tsompanas, un chercheur de l'Université de l'Ouest de l'Angleterre impliqué dans l'étude, a déclaré TechXplore. "Ce modèle s'inspire du parallélisme inhérent aux automates cellulaires, mais leur capacité à fournir des simulations adéquates de phénomènes physiques complexes est encore enrichie par la stochasticité des automates d'apprentissage et les capacités d'apprentissage correspondantes."
La technique de calcul bio-inspirée imaginée par Tsakalos, Dourvas, Tsompanas et leurs collègues se sont avérés très performants, modéliser efficacement les portes logiques dans de nombreux scénarios simulés. À l'avenir, leur modèle pourrait être appliqué à une variété de problèmes mathématiques et informatiques très complexes. Il pourrait également être adapté pour reproduire le comportement d'autres organismes vivants et phénomènes biologiques.
"Nous envisageons que le modèle bio-inspiré proposé puisse servir d'outil efficace dans d'autres études pour modéliser le comportement des autres, encore plus complexe, organismes vivants et résoudre des problèmes similaires représentés graphiquement, " Prof. Georgios Ch. Sirakoulis, un chercheur de l'Université Démocrite de Thrace qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore.
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