在一个日本实验室里，一群科学家正在鼓励一种快速扩张的阿米巴状粘液团“吞噬”东京。幸运的是，这里的“粘液团”是一种宽度仅约20厘米的“黏菌”，而“东京”则由一个大塑料盘上散布的燕麦片代表。这一切都是一项关于通过生物学原理改进网络设计的实验的一部分。尽管黏菌以自己的方式生长，没有任何计划，但它迅速形成了一个粘滑管道的网络，看起来非常像东京的实际铁路网络。
这项模拟的目的不是重现流行文化中的怪物袭击，而是通过招募大自然作为城市规划师来寻找改善交通网络的途径。人类社会依赖于良好的交通网络来运输人员、资源和信息，但建立这样的网络并不容易。它们必须高效、成本效益高且能抵抗干扰或故障。最后一个标准尤其具有挑战性，正如英国公共交通系统每次有叶子或雪花落在道路或铁路上时所表现出的那样。
生物也依赖于交通网络，从遍布我们所有细胞的蛋白质轨道，到蚂蚁群体巡逻的通道。与人造网络一样，这些生物网络也面临着效率和弹性的平衡，但与人造网络不同的是，它们已经通过数百万年的进化得到了优化。它们的策略必须奏效——如果我们的网络崩溃，后果是停电或交通拥堵；如果它们的网络崩溃，后果就是死亡。
为了从这些生物网络中汲取灵感，北海道大学的Atsushi Tero与黏菌“多头绒泡菌”Physarum polycephalum合作。这种阿米巴状生物通过从中心位置派出分支（原生质团）来觅食。即使它形成广阔、蔓延的网络，它仍然作为一个单一的细胞存在。它非常动态。它的各个脉管的厚度和形状会发生变化，新的会形成，旧的会消失，整个网络每小时可以爬行几厘米。
对于一个没有思想的生物来说，黏菌在创建高效网络方面的技能是惊人的。它可以找到连接分散食物来源的最有效方式，甚至可以找到穿过迷宫的最短路径。但它能为东京庞大的城市景观做到同样的事情吗？
Tero在一个潮湿的盘子里培养了Physarum，盘子上的位置对应着东京，燕麦片则代表了东京大都市区其他主要城市的位置。Physarum避开强光，所以Tero利用光线来模拟他微缩地图上的山脉、湖泊和其他阻碍地形。不久，黏菌就用一个密集的原生质团网络填满了这个空间。最终，它稀疏了网络，专注于连接食物来源的分支。即使是肉眼看来，这些最终的网络也与真实的东京铁路系统惊人地相似。
黏菌的能力是自优化的奇迹。它没有前瞻性规划的意识，也没有顶视图或智能来指导其行动。它通过不加区分地铺设原生质团来创建高效的网络，加强有效的部分，削减无效的部分。这种方法似乎和人类规划师一样随意，铺设所有铁轨，然后移除表现不佳的。尽管如此，黏菌的方法（或缺乏方法）产生了一个在成本、效率和容错性方面都与精心规划的人类尝试相当的网络。
Tero尝试使用一个 deceptively simple 的计算机模型来模仿黏菌的能力，该模型由一个随机网格状的管道组成。每根管道中都有虚拟的细胞质流动，就像黏菌的分支一样。流速越快，管道就越宽。如果流速减慢，管道就会变细，最终消失。
调整模型的特定条件，产生的网络与活体Physarum和东京实际的铁路系统非常相似。进一步调整可以提高系统的效率或弹性，同时将成本保持在尽可能低的水平。这或许就是未来的工程——一个受生物系统启发而创造的虚拟系统，而这个生物系统看起来很像人造系统。
参考：Tero等人。2010。生物启发的自适应网络设计规则。Science 10.1126/science.1177894
更多关于黏菌：捕食性黏菌将猎物冻结成大群
图片：来自AAAS/Science
