Comentarii Adauga Comentariu

Amoeba finds approximate solutions to NP-hard problem in linear time

TSP solutions obtained by the amoeba-based computing system for 4, 5, 6, 7, and 8 cities. Credit: Zhu et al. ©2018 Royal Society Open Science

Researchers have demonstrated that an amoeba—a single-celled organism consisting mostly of gelatinous protoplasm—has unique computing abilities that may one day offer a competitive alternative to the methods used by conventional computers.

The researchers, led by Masashi Aono at Keio University, assigned an amoeba to solve the Traveling Salesman Problem (TSP). The TSP is an in which the goal is to find the shortest route between several cities, so that each city is visited exactly once, and the start and end points are the same.

The problem is NP-hard, meaning that as the number of cities increases, the time needed for a computer to solve it grows exponentially. The complexity is due to the large number of possible solutions. For example, for four cities, there are only three possible routes. But for eight cities, the number of possible routes increases to 2520.

In the new study, the researchers found that an amoeba can find reasonable (nearly optimal) solutions to the TSP in an amount of time that grows only linearly as the number of cities increases from four to eight. Although conventional computers can also find approximate solutions in linear time, the amoeba's approach is completely different than traditional algorithms. As the scientists explain, the amoeba explores the solution space by continuously redistributing the gel in its amorphous body at a constant rate, as well as by processing optical feedback in parallel instead of serially.

Although a conventional computer can still solve the TSP much faster than an amoeba, especially for small problem sizes, the new results are intriguing and may lead to the development of novel analogue computers that derive approximate solutions of computationally complex problems of much larger sizes in linear time.

How it works

The particular type of amoeba that the scientists used was a plasmodium or "true slime mold," which weighs about 12 mg and consumes oat flakes. This amoeba continually deforms its amorphous body by repeatedly supplying and withdrawing gel at a velocity of about 1 mm/second to create pseudopod-like appendages.

In their experiments, the researchers placed the amoeba in the center of a stellate chip, which is a round plate with 64 projecting outwards, and then placed the chip on top of an agar plate. The amoeba is confined within the chip, but can still move into the 64 channels.

In order to maximize its nutrient absorption, the amoeba tries to expand inside the chip to come in contact with as much agar as possible. However, the amoeba does not like light. Since each channel can be selectively illuminated by light, it's possible to force the amoeba to retreat from the illuminated channels.

In order to model the TSP, each channel in the stellate chip represents an ordered city in the salesman's route. For example, in the case with four cities labeled A-D, if the amoeba occupies channels A4, B2, C1, and D3, then the corresponding solution to the TSP is C, B, D, A, C.

In order to guide the amoeba toward an optimal or nearly optimal solution, the key lies in controlling the light. To do this, the researchers use a in which every six seconds the system updates which channels are illuminated. The model incorporates information about the distance between each pair of cities, as well as feedback from the amoeba's current position in the channels.

The model ensures that the amoeba finds a valid solution to the TSP in a few ways. For example, once the amoeba has occupied a certain fraction of a particular channel, say A3, then channels A1, A2, and all other "A" channels are illuminated in order to prohibit city A from being visited twice. Also, B3, C3, D3, and all other "3" channels are illuminated to prohibit simultaneous visits to multiple cities.

The model accounts for the distances between cities by making it easier to illuminate channels that represent cities with longer distances than with shorter distances. For instance, say the amoeba occupies channel B2, and has begun to encroach into channels C3 and D3 in equal amounts, and the distance between cities B and C is 100 while the distance between cities B and D is 50. The longer distance between B and C eventually causes the system to illuminate channel C3, causing the amoeba to retreat from that but allowing it to continue moving into D3.

Overall, modeling the TSP with an amoeba harnesses the amoeba's natural tendency to seek out a stable equilibrium. As channels representing shorter routes are less likely to be illuminated, the amoeba may spread out in those channels and continue to explore other non-illuminated channels in order to maximize its surface area on the agar plate.

The researchers also developed a computer simulation called AmoebaTSP that mimics some of the main features of how the amoeba addresses the problem, including the continuous movement of gel as it is supplied at a constant rate and withdrawn from various channels.

"In our stellate chip for solving the n- TSP, the total area of the body of the amoeba becomes n when the amoeba finally finds an approximate solution," Aono told Phys.org. "There seems to be a 'law' that the amoeba supplies its gelatinous resource to expand in the non-illuminated channels at a constant rate, say, x. This law would be kept even when some resources bounce back from illuminated channels. Then the time required to expand the body area n to represent the solution becomes n/x. This mechanism would be the origin of the linear time, and it was reproduced by our computer simulation model.

"But still, the mechanism by which how the amoeba maintains the quality of the approximate , that is, the short route length, remains a mystery. It seems that spatially and temporally correlated movements of the branched parts of the amoeba located at distant channels are the key. Each of these branches is oscillating its volume with some temporal 'memory' on illuminated experiences. Groups of the branches perform synchronization and desynchronization for sharing information even though they are spatially distant."

In the future, the researchers plan to further improve the amoeba's computing abilities.

"We will investigate further how these complex spatiotemporal oscillatory dynamics enhance the computational performance in finding higher-quality solutions in shorter time," said coauthor Song-Ju Kim at Keio University. "If it could be clarified, the knowledge will contribute to create novel analogue computers that exploit the spatiotemporal dynamics of electric current in its circuit.

"Of course, running some other algorithms on traditional digital computers for linear time, we can derive approximate solutions to TSP. On the other hand, when running our simulation models (AmoebaTSP or its developed versions) on the traditional computers as we did in this study, the analogue and parallel spatiotemporal dynamics require nonlinear time for simulating them as digital and serial processes. So we are trying to obtain much higher-quality solutions than those derived from the traditional ones by running our models on the analogue computers for linear time or shorter."

The researchers also expect that, by fabricating a larger chip, the will be able to solve TSP problems with hundreds of cities, although this would require tens of thousands of channels.

Explore further: Health department says amoeba kills swimmer in Oklahoma lake

More information: Liping Zhu, Song-Ju Kim, Masahiko Hara, and Masashi Aono. "Remarkable problem-solving ability of unicellular amoeboid organism and its mechanism." Royal Society Open Science. royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsos.180396


Linkul direct catre Petitie

CEREM NATIONALIZAREA TUTUROR RESURSELOR NATURALE ALE ROMANIEI ! - Initiativa Legislativa care are nevoie de 500.000 de semnaturi - Semneaza si tu !


Adauga Comentariu

Citiți și cele mai căutate articole de pe Fluierul:

SOROS ÎL SUSȚINE CU ZECI DE MILIOANE DE DOLARI PE BIDEN CA SĂ AJUNGĂ PREEDINTELE SUA: Ziarul Britanic London Daily : "Miliardarul George Soros a dat peste 50 milioane de dolari pentru a-i ajuta pe Biden și alți democrați să câștige alegerile din SUA"

Tenis: Oana Simion și Oana Gavrilă au câștigat titlul în proba de dublu la Pazardjik (Bulgaria)

Preot ortodox, rănit la Lyon: Biserica din Grecia denunță ''o oroare care depășește logica umană''

Fotbal - Liga I: FC Hermannstadt - Universitatea Craiova 0-1

Donald Trump a fost scos în tomberon...de la Madame Tussauds din Berlin. Măsura a fost luată preventiv de conducerea muzeului, înaintea alegerilor din Statele Unite

Roxana Nemeş, protagonista unui film XXX: "Eu sunt acolo. Toată lumea face asta"

FC Barcelona se împiedică, Realul defilează. Catalanii au făcut un scor de speriat pe terenul lui Alaves

Barcelona se scufundă în datorii. Clubul riscă falimentul

Campionatul mondial de League of Legends a debutat cu un concert impresionant. Organizatorii s-au folosit de realitatea augumentată pentru a da viață personajelor pe scenă

Țara din UE care a început testarea în masă. De luni, cine iese pe stradă fără test negativ pentru COVID-19 poate primi amendă

Nicoleta Toncea, director Interagro, audiată la DIICOT în dosarul Romgaz

Il Giornale. La verità sull’attacco a Douma che nessuno ha osato dire

FOTO - VIDEO! Clubul mortii a gazduit un ritual satanic in Saptamana Patimilor! S-au dat foc la cruci intoarse si s-a facut baie in sange de animal! A fost invocat Diavolul. In Ajun de Halloween clubul Colectiv a luat foc

Roxana Nemeş, protagonista unui sex tape: "Eu sunt acolo"

Sondaj care le dă fiori celor care au distrus România de 26 de ani: PCR cel mai iubit. Dacă ar candida, PCR ar avea 52% și ar avea majoritatea absolută în parlament. Valentin Ceaușescu ar deveni Prim-Ministru în locul tehnocraților

Marea Britanie urmează modelul Franței. Boris Johnson a anunțat o carantină națională pentru patru săptămâni

Ludovic Orban insistă asupra lipsei pericolului organizării alegerilor parlamentare în decembrie

Un suspect a fost arestat după ce un preot ortodox grec a fost împușcat la Lyon

Criza COVID 19 naște noi domenii: Mediul de afaceri vrea un minister dedicat IMM-urilor și digitalizării

Fotbal - Liga I: FC Botoșani - UTA Arad 2-3

Cele mai SEXY PESCĂRIŢE. Nu sunt poveşti FOTO

Cine-i bagă la închisoare pe criminalii care au deschis școlile? Chiar Nimeni? Deces de COVID-19 în învățământ. O învățătoare de 55 de ani a murit

Răsturnare de situaţie în cazul modelului de 14 ani mort de epuizare. Descoperire şocantă la autopsie

Video Zeci de mii de persoane au protestat violent n Atena/ ,,Macedonia este Grecia au scandat protestatarii

Vladimir Găitan: Sufăr de aceeaşi boală. Aș vrea să-i dau Regelui din puţina mea sănătate -

Anca Sînă Serea, dureri groaznice la "Uite cine dansează". Ce a pățit vedeta

Chirie contra sex, reportaj cu camera ascunsă. Practica revoltătoare a mai multor proprietari de locuinţe

Nelu Tătaru: 3.183 de persoane - confirmate cu noul coronavirus


INFLATIA LEULUI CONTINUA. Isarescu si Tehnocratii vor "sa topeasca" toate cresterile salariale printr-o inflatie galopanta. CURS BNR, 29 decembrie. Cel mai slab leu din ianuarie 2014. Euro creşte la 4,53 lei

Brazilia confirmă primul caz de infectare cu noul virus gripal

Alina Eremia, POZĂ DE INFARCT în costum de baie! Cum arată cântăreața | FOTO ÎN ARTICOL

Alina Eremia a pozat SEXY şi a lăsat să se vadă un detaliu intim FOTO

Wuhan "Cad ca muștele". România adică UE nu face screening la aeroporturi. Spaimă Majoră că Virusul Ucigaș a ajuns în România. Un tânăr student în China care s-a întors la Bacău este suspect de coronavirus după ce de 8 zile se plimbă nestingherit prin țară

SUA: Bernie Sanders se aliază cu cântăreața de rap Cardi B pentru a-i atrage pe tineri la vot

Bianca Drăguşanu, GAFĂ COLOSALĂ pe internet. Un detaliu JENANT a ieşit la iveală FOTO

Cele mai PUTERNICE DESCÂNTECE de boală, deochi și împăcare

Inginerie genetică? Geneticienii au constatat că ARN-ul din Noul Coronavirus care codifică modul periculos de ușor -- prin care virusul pătrunde în celulele umane -- este foarte asemănător cu cel al virusului HIV -- care aparține unei alte specii...

Cristina ICH, şedinţă foto incendiară. Bomba sexy a pozat goală FOTO

CAMERA ASCUNSĂ: Turişti filmaţi pe ascuns în momente de intimitate

BOMBĂ ActiveNews: "Președintele Klaus Iohannis este membru al Organizației Progresiste 'European Council of Foreign Relations' un Think-Tank fondat de GEORGE SOROS". Fluierul.ro a descoperit că ECFR e condusă de Carl Bildt MEMBRU AL GRUPULUI BILDERBERG

S-A ACTIVAT SI OMUL FMI-ULUI SI AL BANCILOR STRAINE - MUGUR ISARESCU. Isarescu ataca si el reducerea TVA-ului pentru populatie de la 24% la 19%

Jerusalem Post: "Cum poate fi prieten al Israelului, președintele României, Klaus Werner Iohannis, care 23 de ani a fost președintele Forumului Democrat al Germanilor, organizație care pretinde că este succesoarea legală a unei foste organizații naziste?"

Rugăciune foarte puternică pentru găsirea sufletului pereche! O spui şi are efect imediat

PSD, partid de cîrpe ciolace

Rugby: Țara Galilor, învinsă pe teren propriu de Scoția în Turneul celor Șase Națiuni

COMENTARIU Școli redeschise: dacă nu știți, informați-vă; dacă știți, nu mai mințiți

Fotbal: Victorii pentru Bayern Munchen și Borussia Dortmund în campionatul Germaniei

Ciclism: Stefan Kung, campion al Elveției

MFP: Peste 7 milioane de documente electronice, depuse prin intermediul Spațiului Privat Virtual în 2020

HALLOWEEN INSANGERAT INTR-O TARA DISTRUSA. Murim spoiti. Refuzam sa vedem mizeria si saracia, lucrurile prost facute, le pictam colorat, in "creativitate”, "exprimare libera”, "hipsterisme”, iarba, feministi, gay, bautura, si murim cool si "democrat”

Un tunisian căutat de Franța, arestat în Bulgaria

Atletism: Marius Cocioran și Andreea Arsine, campioni naționali la marș

Oamenii continuă să se întâlnească în grupuri mari. Polițiștii au întrerupt un eveniment la care participau 30 de persoane

Liga 1. Clinceni câștigă pe teren propriu, UTA învinge la Botoșani

Ciclism: Turul Spaniei - Francezul David Gaudu, învingător în etapa a 11-a

VIDEO Operațiunile de salvare continuă în Turcia, după cutremur. Bărbat scos în viață de sub dărămături, după 26 de ore

Decesul lui Sean Connery: Familia anunță funaralii private și o comemorare ulterioară

Un nou atac în Franța. Preot ortodox rănit grav, după ce a fost împușcat într-o biserică din Lyon/ Primele imagini

Incendiu izbucnit la o vilă din Izvorani

Pag.1 Pag.2

Nr. de articole la aceasta sectiune: 110, afisate in 2 pagini.

ieri 06:26 CITATUL ZILEI