多頭絨泡菌智能行為模型研究及其應(yīng)用.pdf

1、對(duì)生物行為的研究能夠啟發(fā)新的計(jì)算方法、促進(jìn)人工智能的發(fā)展。近10年來(lái)，一種名為多頭絨泡菌的多核單細(xì)胞生物引起了眾多科學(xué)家的興趣，其智能行為也被廣泛研究。多頭絨泡菌具有復(fù)雜的生命周期，在營(yíng)養(yǎng)期內(nèi)它能夠隨意改變形態(tài)，構(gòu)建連接食物源的原生質(zhì)管道網(wǎng)絡(luò)。2000年，Nakagaki發(fā)現(xiàn)該生物通過(guò)進(jìn)化自身的原生質(zhì)管道，能夠得到連接迷宮入口和出口的最短管道。從此，這種低等生物所蘊(yùn)含的智能特征逐漸被認(rèn)識(shí)和關(guān)注。科學(xué)家們利用多種方法，從不同角度對(duì)多頭絨泡

2、菌的智能行為進(jìn)行了研究，并試圖解釋其內(nèi)在機(jī)制和將其應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。本文主要分析了其中的三種方法:Tero利用基爾霍夫定律和哈根泊肅葉定律建立的模型，該模型通過(guò)建立管道流量和傳導(dǎo)性的反饋關(guān)系，對(duì)多頭絨泡菌求解最短路徑的過(guò)程進(jìn)行了解釋;Adamatzky用反應(yīng)擴(kuò)散的過(guò)程類比多頭絨泡菌的生長(zhǎng)過(guò)程，利用二變量Oregonator模型研究了多頭絨泡菌構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)和求解迷宮問(wèn)題;Jones采用自底向上的建模方法，構(gòu)建多Agent模型模擬多頭絨泡菌網(wǎng)絡(luò)的

3、演化過(guò)程?；趯?duì)上述三種模型的研究，本文做了如下三項(xiàng)工作:
　　 (1)本文發(fā)現(xiàn)HP實(shí)驗(yàn)室提出的憶阻器模型中電流對(duì)電阻的控制作用與Tero模型中流量和傳導(dǎo)性的關(guān)系具有相似的特征。本文利用Simscape和Simulink實(shí)現(xiàn)了HP實(shí)驗(yàn)室的憶阻器模型，通過(guò)改進(jìn)得到一種具有超導(dǎo)特征的憶阻器模型，建立了新模型和Tero模型的Simscape和Simulink仿真元件。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于憶阻器改進(jìn)的模型具有與Tero模型一樣的路徑選

4、擇功能，同時(shí)具有可調(diào)節(jié)的選擇速度和更優(yōu)的時(shí)間效能。本文還利用新模型的仿真元件搭建了電路迷宮系統(tǒng)，成功模擬多頭絨泡菌以最短路徑的方式求解迷宮。
　　 (2)本文通過(guò)模擬非營(yíng)養(yǎng)基上食物源濃度的分布，建立了一個(gè)基于濃度梯度的數(shù)學(xué)模型，用于模擬多頭絨泡菌在非營(yíng)養(yǎng)基上的覓食行為。本文將食物源抽象為形成空間中化學(xué)粒子濃度場(chǎng)的場(chǎng)源，空間中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與食物源的歐幾里得距離相關(guān)。模型中的生長(zhǎng)點(diǎn)沿梯度運(yùn)動(dòng)，最終構(gòu)成全部場(chǎng)源的生成樹(shù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該模型

5、構(gòu)建的生成樹(shù)與生物實(shí)驗(yàn)中多頭絨泡菌在非營(yíng)養(yǎng)基上構(gòu)建的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)非常相似。通過(guò)簡(jiǎn)單修改，模型能夠模擬多頭絨泡菌形成具有管道分支的生成樹(shù);也能夠模擬吸引物和排斥物共存時(shí)，多頭絨泡菌能夠繞過(guò)排斥物成功尋找到其它食物源的行為。當(dāng)模型被應(yīng)用于構(gòu)建歐幾里德平面的生成樹(shù)時(shí)，獲得的歐幾里德生成樹(shù)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與歐幾里得最小生成樹(shù)差別甚微。
　　 (3)本文研究和分析了Jones模型的特點(diǎn)及其不足之處，通過(guò)改進(jìn)Jones的模型，得到了一種傳感器數(shù)量較