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:

Crimă. Video Îngrozitor din Franța. Acest domn de 79 de ani cu # COVID19, care vorbește și este perfect lucid, nu știe încă, că va muri: dar decizia a fost luată: o decizie de a opri terapia intensivă și de a nu-l intuba.

Grupele sanguine și Coronavirusul - Cei cu grupa Sanguină O au o protecție suplimentară

Coronavirus România. 4-Aprilie ora 20: 146-Morți. Cine sunt cei 146 de Morți Oficiali de Coronavirus? dacă nu vor băga rapid în carantină Bucureștiul capitala va fi răvășită de morți cum e Madridul astăzi

Spitalele Focare de Infecție. Virusul le mulțumește lui Lodovic și Tătaru. Pacienţii victime sigure - "lăsați pe loc" în spitalele infectate. Au creat focarul, pentru că, nimeni testează medicii şi asistentele şi au dus infecţia acasă

Alt Mort ascuns de Lodovici. Deces trecut sub tăcere. O femeie din Galaţi a murit în azilul de bătrâni contaminat cu COVID-19, iar rudele nu au ştiut că trebuie să se protejeze

România Ziua16b. Cenzura incompetenților nu are limite. În Republica nord-coreană a lui Lodovic și Werner în weekend Virusul se odihnește și el. Doar 2 morți sâmbătă după ce au fost 24 și 22 în zilele lucrătoare

MOSTENIREA nestiuta a lui Ceausescu! America e SOCATA de ce a descoperit in Romania
ULTIMA ORA: Dusmanii tarii vor sa ascunda adevarul

Inconștiența a doi tembeli Lodovic și Werner ne poate costa foarte multe Vieți. Ordonanța Militară 2 face doar "recomandări" cu privire la izolarea oamenilor la Domiciliu în loc să ia Decizii. Mii de oameni s-au plimbat prin parcuri și pe alei.

Nevrând să testeze tot personalul medical și pe toți care intră în spitale Tătaru cu Lodovic au lăsat pradă INFECȚIEI spital după spital. 28 de angajați ai Spitalului Câmpulung, cadre medicale și personal auxiliar, infectați cu COVID-19

Ludovic Orban pentru Libertatea.ro despre COVID-19 de la clinica Diaverum: ”În jur de 40-45 persoane infectate la clinica Diaverum”. Libertatea: cel puțin 8 morți în București generați de tratamentele infectate de la Clinica Multinațională Diaverum.

Bogdan Micu Prezice Diferit de Fluierul.ro

Moaștele Cuvioasei Parascheva au ieșit din Iași pentru prima dată după 73 de ani. Se așteaptă o nouă minune. Ultima dată au fost scoase la Marea Secetă din Moldova din 1947

Inconștiență criminală! Mii de oameni au ieșit în parc să facă plajă, deși e carantină: "Inacceptabil, dezamăgitor"

Lodovicii au pierdut lupta înainte să înceapă. Au început prin a ascunde morții. Acum încearcă să identifice firmele de pompe funebre

Cotidianul.ro - A început săparea gropilor pentru morții de coronavirus (FOTO)

Culmea Embargoului. Putin a trimis ventilatoare americanilor. Ventilatoarele ruse trimise în SUA și realizate de o firmă rusă sub sancțiunile americane - au fost bine primite de americani

Cum să îți fabrici acasă propria mască de protecție împotriva noului coronavirus

Bărbat aflat în carantină și-a ucis vecinii care făceau gălăgie, apoi a încercat să fugă


Țara de mărimea României care "a avut un răspuns stelar" la coronavirus. Sub 400 de cazuri, niciun mort. Ce au făcut autoritățile

Ion Cristoiu despre cum se fac vinovați Werner cu Lodovic de căderea spitalelor. Calculul plin de cinism al lor e următorul: "Ei își calculează că România va avea puține cazuri raportate și decese. O iluzie "

O carte despre o pandemie, respinsă de editori pentru că era nerealistă, a fost lansată acum pe piață și este "îngrozitor" de corectă

București. Moaștele Sfântului Dimitrie cel Nou, au fost scoase pe stradă. Se așteaptă o nouă minune. Ultima dată au fost scoase la Marea Secetă din Muntenia din 1927, iar înainte la Ciuma din București de la 1813

Țara europeană care a înregistrat astăzi mai multe vindecări decât internări. E posibil să fi trecut de vârful epidemiei

"Covidioții". Orașul în care mii de oameni au ignorat carantina și au ieșit în parcuri: "Câțiva ne pun în pericol pe toți"

Când și cum se termină pandemia de COVID-19 la nivel global

Elevă de 15 ani, filmată în timp ce face sex. Imaginile au ajuns pe internet, toţi prietenii ei au văzut scenele XXX

Dealeri auto: de 30 de ani nu s-a mai întâmplat asta. Ne confruntăm cu o provocare de o amploare fără precedent


4.000 de deținuți, eliberați de teama răspândirii coronavirusului în închisori: "Dacă virusul ajunge acolo, va fi o presiune prea mare pe medici"

Englezii incendiază stâlpii 5G ca urmare a teoriilor conspiraționiste despre coronavirus. "Vom muri cu toții"

VIDEO Italia nu a înțeles nimic din Coronavirus. Străzile mai multor orașe importante, arhipline

Jurnal de carantină, din Madrid. Gelu Vlașin: Nimeni nu se aștepta la avalanșa asta de contagiați și de morți

Logodnica însărcinată a lui Boris Johnson a avut simptome de COVID-19, dar nu s-a testat și acum se recuperează

Regulile sunt făcute pentru românii de rând. Uite cum încalcă oficialii propriile recomandări | VIDEO

Amenințare de război în plină pandemie. Și din cauza ei. "Dacă oamenii noștri încep să moară, nici voi nu o sa mai respirați"


Al doilea județ din România care interzice ieșitul din casă fără mască

Lista "zonelor roșii" din România. Care sunt cele mai afectate județe și unde sunt cei mai puțini infectați

Financial Times: Cum a reușit Veneto să aibă o rată a mortalității COVID-19 de trei ori mai mică decât Lombardia?

Zbor pe timp de pandemie. O femeie care a zburat să-și vadă mama murind a descoperit că este singurul pasager al avionului

Suedia, învinsă de coronavirus. Guvernul vrea să declare stare de urgență și carantină. "Suntem conduși spre catastrofă"

Călugăr din Mănăstirea Neamț, cercetat penal pentru agresiune sexuală asupra unui bărbat în carantină

Vrancea: Teste negative pentru toți contacții medicului de la SJU Focșani confirmat cu COVID-19

Coronavirus în lume LIVE UPDATE 5 aprilie: 1,1 milioane de oameni infectați, la nivel global / SUA înregistrează peste 300.000 de cazuri

Coronavirus în România LIVE UPDATE 5 aprilie. Bilanțul complet: 3.613 cazuri de infectare / 146 morți. Peste 400 de noi cazuri în 24 de ore

Sângele unui vierme marin, folosit ca tratament pentru Covid-19 în Franța

Una dintre cele mai afectate țări din lume de pandemie anunță reluarea activităților economice. Are 3.000+ morți

COMENTARIU Lelia Munteanu: Ce rubrică lipsește din raportările zilnice despre coronavirus

Coronavirus: o nouă cale de vindecare e posibilă

COVID-19 nu o ține pe Maria Sharapova departe de fani. Aflată în izolare, sportiva și-a făcut public numărul de telefon

Ciolacu: Apartenența la NATO și statutul nostru de membru al UE sunt pilonii principali ai politicii externe a țării noastre


Coronavirus: 1.585 de cazuri, dintre care 9 mortale în Africa de Sud


Cât de dement poți să fi ca să ascunzi morții? Morții ascunși de la Suceava au apărut în statistică oficială - după ce toată lumea a aflat că au fost ascunși

Un tânăr din Buzău a creat "prima izoletă electrică din România". A folosit-o pentru a-și lua mâncare

Un bărbat de 70 de ani, internat cu forța în spital, a fugit de la Urgențe. Este infectat cu COVID-19

"China ne-a creat pagube de 6,5 trilioane de dolari". Marea Britanie calculează totul într-un raport surprinzător despre coronavirus

Arme letale confiscate și zeci de oameni amendați în Țăndărei și Slobozia

Pag.1 Pag.2 Pag.3 Pag.4 Pag.5 Pag.6 Pag.7
Pag.8 Pag.9 Pag.10 Pag.11 Pag.12 Pag.13 Pag.14 Pag.15
Pag.16 Pag.17 Pag.18 Pag.19 Pag.20

Nr. de articole la aceasta sectiune: 1195, afisate in 20 pagini.

ieri 05:23 CITATUL ZILEI