Umetni boj za obstanek

Simulacije vedenja plenilcev. Milijon let evolucije se lahko obrne v nekaj dneh.

Objavljeno
02. november 2015 10.07
dr.Iztok Lebar Bajc in Jure Demšar Ljubljana 20.10.2015 [računalnik]
Simona Bandur, Panorama
Simona Bandur, Panorama

V jato rib se je zapodila večja riba, skupino v hipu razgnala na manjše dele, dokler ni ostala ena ribica, prepuščena nemilosti. Klasičen boj za preživetje, ki ga lahko vidimo v dokumentarnih filmih, je bil virtualen, dogajal pa se je na zaslonu dr. Iztoka Lebarja Bajca, docenta na fakulteti za računalništvo in informatiko. »Nikoli nisem imel akvarija ali terarija, pa tako tešim to otroško željo,« se šali, čeprav so lahko takšne simulacije zelo koristne pri raziskovalnem delu.

Za nekoga z zelo omejenim poznavanjem računalništva in nikakršnimi izkušnjami z umetnimi svetovi in umetnimi življenji bi bilo plenjenje na zaslonu videti kot nekakšna igrica, vendar je za tem resno raziskovanje. Zelo poenostavljeno povedano: ustvarjajo simulacije vedenja plenilcev in plena, nekakšen umetni boj za obstanek. Zakaj? Da bi tistim, ki se ukvarjajo s tem – denimo etologom –, a nimajo priložnosti opazovati lova ork ali leta ptic, omogočili raziskovanje in preverjanje hipotez, odgovorita Iztok Lebar Bajec in njegov kolega Jure Demšar, doktorski študent na fakulteti, računalnikarja, ki sta zaradi te svoje raziskovalne vneme postala tudi ljubiteljska biologa.

Netopirji v Batmanu

»Zakaj opazovati ptiče pri masovnih manevrih? Ker nikoli ne trčijo,« pomenljivo doda Lebar Bajec. »Ugotoviti, kako deluje takšen organizem, je lahko zelo koristno pri načrtovanju prometa,« pojasni Demšar, »podobno je z ljudmi – opazuješ lahko njihovo gibanje pri, denimo, požarih ali v primeru panike, postaviš algoritem in predvidiš varnostne ukrepe.« Eden od vzrokov, da se računalnikarji spuščajo v biologijo, je želja, da bi iz narave pobrali najboljše sisteme in jih uporabili, ga dopolni Lebar Bajec. In ne nazadnje je takšno modeliranje uporabno v svetu računalniške grafike.

Z računalniško grafiko v filmski industriji se je tudi začelo hitreje razvijati modeliranje vedenja živali. Avtor, ki je prvi dosegel preboj na tem področju, je bil Craig Reynolds, strokovnjak za računalniško grafiko in umetno življenje. Razvil je algoritem za animiranje gibanja roja netopirjev v filmu Batman Returns leta 1992 in dobil oskarja za tehnične dosežke. Reynoldsov algoritem je temeljil na matematičnih enačbah, katerih predpostavka je bila, da se ptica obnaša na tri načine: poskuša se prebiti v sredino med najbližje sosede, poskuša ujeti smer njihovega gibanja in poskuša biti dovolj stran od njih.

»Zmotilo me je, da so bile to matematične enačbe, zato sem za doktorsko disertacijo zasnoval podoben sistem, le da ta temelji na tako imenovani mehki logiki, ki pravila opiše po načelu če-potem, na primer: če nekdo levo od mene zavije levo, potem bom šel levo. Rezultat pa je enak kot pri enačbi,« pojasni Lebar Bajec. In kaj početi s tem sistemom? »Potem greš v naravo in opazuješ, kaj se dogaja. Omenjena tri pravila večinoma veljajo za jate ptic, rib, tudi ljudi,« preprosto razloži Lebar Bajec. Na vprašanje, ali sta tako postala priložnostna ornitologa, odgovorita z nasmehom: »Tudi.« Pri ustvarjanju algoritmov sta se povezala z biologi, torej s sosedi na biotehniški fakulteti, in tudi s svetovno znanimi biologi, denimo dr. Frankom H. Heppnerjem z univerze na Rhode Islandu in prof. dr. Charlotte K. Hemelrijk z univerze v Groningenu.

Kako pa so biologi sprejeli, da si želijo računalnikarji neskončno raznolikost v naravi ukalupiti v algoritem? Iztok Bajec Lebar z nasmehom potrdi domnevo, da je bilo to srečanje dveh različnih vrst: »Najprej se moraš naučiti jezika in komunikacije. V računalniškem svetu je evolucija nekakšen algoritem, v njihovem je evolucija evolucija z vsemi razsežnostmi. Po drugi strani pa je to velik izziv, saj vstopaš v svet, ki ti ni najbolj domač, in si lahko ravno zato bolj ustvarjalen.« Ko nastane algoritem, mu biologi vedno dodajo »lahko«, torej »takšno vedenje lahko vodi do ...«, kar je za pripadnike tehničnih ved, ki težijo k strogi eksaktnosti, včasih precej frustrirajoče. »Heppner rad poudari harvardski zakon vedenja živali: Ko že misliš, da se bo žival obnašala tako, kakor si si zamislil, se bo obnašala tako, kakor se ji zljubi,« sklene Lebar Bajec.

Računalniška evolucija

Zato tudi računalnikarja ne trdita, da sta gibanje in vedenje živali v skupinah tako univerzalni, da je mogoče izdelati preprost algoritem, poskušajo pa se jima približati. Za primer pokažeta plenjenje v jati rib. Plenilec uporabi napad z disperzijo, torej skupino rib tako razprši, da na koncu ostane ena sama, ki jo ulovi. Tako napadajo mečarice, tuni, barakude ... in v tem primeru je takšen način najbolj uspešen. Če bi torej svetovali plenilcem, kako si najlaže zagotovijo obrok, bi jim predlagali napad z disperzijo, se smejeta sogovornika. In nasprotno bi plenu, če bi mu svetovala, kako naj se izogne plenilcu, priporočila strnjeno in usklajeno gibanje okoli praznega središča, kajti to plenilca najbolj zmede.

Zdaj ju najbolj vznemirja vprašanje, kako in zakaj se ptice in ribe združujejo v skupine. Ena izmed hipotez je ravno obramba pred plenilci, kar zdaj preverjata z računalniško simulirano evolucijo. V svetu računalništva je ta bistveno hitrejša – milijon let se odvrti v nekaj dneh. Poleg ptic in rib ju zanima tudi vedenje ovac in navsezadnje ljudi, zlasti pri ljudeh imata neskončno možnosti za opazovanje, kajti množica mrgoli že na fakulteti in okoli nje.

Simulacije vedenja živali tudi študente zelo pritegnejo, doda Lebar Bajec, razvijali so, denimo, strategije skupinskega plenjenja volkov. Pri tem jih spodbuja, da gradijo predpostavke na znanstvenih besedilih biologov, kajti pri računalniških simulacijah so hitro v nevarnosti, da ustvarijo svoja pravila, ki so daleč od resničnih. Kaj takega, kot je pravilnik o izvajanju poskusov na simuliranih živalih, pa ne obstaja, v šali pritrdi.

Tistim, ki jih pritegnejo simulacije vedenja živali (in ljudi), je skupno navdušenje nad Igro življenja (Conway's game of life), igro, ki se tako rekoč sama od sebe razvija v neskončnost. Ta povsem konceptualni svet je bil povod za modeliranje, ki se je do danes tako razvilo, da posega v medicino, saj ugotavljajo, da se tudi rakave celice gibljejo po podobnem principu kot, recimo, ribe ali ptice v jati. Kako izničiti prednosti, ki jih daje delovanje v skupini, je torej vprašanje, s katerim se ukvarjata tako medicina kot plenilec.