Elektroninen ameba

Elektronisern ameban piirikaavio. Vasemmalla ameban ydin, oikealla resistanssien ristikytkentä.

Hokkaidon yliopiston ja japanilaisen Amoeba Energyn -tutkijat ovat yksisoluisen ameban tehokkaan ravintokäyttäytymisen innoittamana kehittäneet analogisen tietokoneen löytääkseen luotettavan ja nopean ratkaisun kiertävän myyntimiehen ongelmaan.

Monet reaalimaailman sovellustehtävät, kuten suunnittelu ja aikataulutus logistiikassa ja automaatiossa, ovat matemaattisesti kombinatorisia optimointiongelmia. Tavanomaiset digitaaliset tietokoneet eivät riitä ratkaisemaan näitä monimutkaisia ongelmia käytännössä tarvittavissa aikatauluissa ajassa, koska niiden arvioimien ehdokasratkaisujen määrä kasvaa eksponentiaalisesti ongelman koon kanssa - joka tunnetaan myös nimellä yhdistelmäräjähdys.

Siksi uusia tietokoneita, nimeltään "Ising-koneet", mukaan lukien "kvanttihehkutuslaitteet", on kehitetty aktiivisesti viime vuosina. Nämä koneet edellyttävät kuitenkin monimutkaista esikäsittelyä, jotta jokainen tehtävä muunnetaan niille toimivaan muotoon ja silti on olemassa riski väärille ratkaisuille. Ameban tiedetään maksimoivan ravinteiden saannin tehokkaasti muokkaamalla kehoaan. Se on osoittanut löytäneensä likimääräisen ratkaisun kauppamatkustajan ongelmaan (TSP).

Tämä havainto innoitti professori Seiya Kasai Hokkaidon yliopistosta jäljittelemään ameban dynamiikkaa elektronisesti analogista piiriä käyttäen. "Amoeban ydin etsii ratkaisua sähköisessä ympäristössä, jossa resistanssisarvot ristikytkennän pisteissä edustavat TSP:n rajoituksia ja pyyntöjä", Kasai sanoo. Ristikytkentäpisteiden kautta kaupungin asettelua voidaan helposti muuttaa päivittämällä resistanssisarvot ilman monimutkaista esikäsittelyä.

Kasain laboratorion tohtorikoulutettava Kenta Saito valmisti piirin kortille ja onnistui löytämään lyhimmän reitin neljän kaupungin TSP:lle. Piiri löysi luotettavasti laadukkaan ratkaisun, jonka reitin pituus oli huomattavasti lyhyempi kuin satunnaisotannalla saatu keskimääräinen pituus. Lisäksi oikea ratkaisun löytämiseen tarvittava aika kasvoi vain lineaarisesti kaupunkien lukumäärään nähden. Kun verrataan hakuaikaa edustavaan TSP-algoritmiin "2-opt", elektronisesta amebasta tulee edullisempi kaupunkien määrän kasvaessa. "Analoginen piiri toistaa hyvin ameban ainutlaatuisen ja tehokkaan optimointikyvyn, jonka organismi on hankkinut luonnollisen valinnan kautta", Kasai sanoo.

"Koska analoginen tietokone koostuu yksinkertaisesta ja pienikokoisesta piiristä, se pystyy ratkaisemaan monia reaalimaailman ongelmia, joissa tulot, rajoitukset ja pyynnöt muuttuvat dynaamisesti ja voidaan upottaa IoT-laitteisiin virtaa säästävänä mikrosiruna", sanoo Masashi Aono, joka johtaa Amoeba Energyä edistämään amoeba-innoittamien tietokoneiden käytännön käyttöä.

Aiheesta aiemmin:

Kohinalla hehkuttaen

Supertietokone valon ja aineen yhdistelmästä

Ohjelmoitavia analogiapiirejä