多頭絨泡菌智能行為模型研究及其應用.pdf

1、對生物行為的研究能夠啟發(fā)新的計算方法、促進人工智能的發(fā)展。近10年來，一種名為多頭絨泡菌的多核單細胞生物引起了眾多科學家的興趣，其智能行為也被廣泛研究。多頭絨泡菌具有復雜的生命周期，在營養(yǎng)期內它能夠隨意改變形態(tài)，構建連接食物源的原生質管道網絡。2000年，Nakagaki發(fā)現該生物通過進化自身的原生質管道，能夠得到連接迷宮入口和出口的最短管道。從此，這種低等生物所蘊含的智能特征逐漸被認識和關注。科學家們利用多種方法，從不同角度對多頭絨泡

2、菌的智能行為進行了研究，并試圖解釋其內在機制和將其應用于實際問題。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，該模型通過建立管道流量和傳導性的反饋關系，對多頭絨泡菌求解最短路徑的過程進行了解釋;Adamatzky用反應擴散的過程類比多頭絨泡菌的生長過程，利用二變量Oregonator模型研究了多頭絨泡菌構建網絡和求解迷宮問題;Jones采用自底向上的建模方法，構建多Agent模型模擬多頭絨泡菌網絡的

3、演化過程。基于對上述三種模型的研究，本文做了如下三項工作:
　　 (1)本文發(fā)現HP實驗室提出的憶阻器模型中電流對電阻的控制作用與Tero模型中流量和傳導性的關系具有相似的特征。本文利用Simscape和Simulink實現了HP實驗室的憶阻器模型，通過改進得到一種具有超導特征的憶阻器模型，建立了新模型和Tero模型的Simscape和Simulink仿真元件。本文通過實驗證明了基于憶阻器改進的模型具有與Tero模型一樣的路徑選

4、擇功能，同時具有可調節(jié)的選擇速度和更優(yōu)的時間效能。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)本文通過模擬非營養(yǎng)基上食物源濃度的分布，建立了一個基于濃度梯度的數學模型，用于模擬多頭絨泡菌在非營養(yǎng)基上的覓食行為。本文將食物源抽象為形成空間中化學粒子濃度場的場源，空間中某點的場強與食物源的歐幾里得距離相關。模型中的生長點沿梯度運動，最終構成全部場源的生成樹。對比發(fā)現，該模型

5、構建的生成樹與生物實驗中多頭絨泡菌在非營養(yǎng)基上構建的樹狀網絡非常相似。通過簡單修改，模型能夠模擬多頭絨泡菌形成具有管道分支的生成樹;也能夠模擬吸引物和排斥物共存時，多頭絨泡菌能夠繞過排斥物成功尋找到其它食物源的行為。當模型被應用于構建歐幾里德平面的生成樹時，獲得的歐幾里德生成樹在拓撲結構上與歐幾里得最小生成樹差別甚微。
　　 (3)本文研究和分析了Jones模型的特點及其不足之處，通過改進Jones的模型，得到了一種傳感器數量較