Дом без кондиционера

Торговый центр, который дышит

В Зимбабве, в Африке, стоит торговый центр «Иствейт». Это огромное здание с магазинами и офисами площадью около 55 000 квадратных метров, почти восемь футбольных полей.

Снаружи тропическая жара под 30 °C, а внутри прохладно 23–24 °C. При этом обычных кондиционеров, систем охлаждения в здании нет. источник

Как это возможно? И при чём тут насекомые с мозгом меньше макового зёрнышка?

Кто строит термитник

Каждый, кто видел термитник в Африке, поражался. Серый глинистый столб высотой в два-три человеческих роста, а внутри до двух миллионов крошечных существ размером с рисовое зерно. Это термиты рода Макротермес. Сама башня не дом; колония живёт ниже, в гнезде у основания и под землёй. Башня нужна как огромная вентиляционная труба. источник

Термиты слепые. У них нет планов и чертежей. Но они строят одну из самых сложных вентиляционных систем в природе.

В гнезде термиты выращивают грибы. Они приносят сухую траву и древесину, кормят ими гриб, а потом едят сам гриб. Это настоящая подземная ферма. источник У фермы две проблемы:

• Тепло. Грибу нужно около 29–30 °C и почти стопроцентная влажность. В саванне воздух за сутки меняется на 20 градусов, а в гнезде всего на 1–4. источник источник
• Воздух. Два миллиона термитов и гриб дышат. Колонии нужно около 240 литров кислорода в день. А углекислого газа в гнезде накапливается до 5–6%, это в сто раз больше, чем в обычном воздухе. Без проветривания колония задохнётся. источник

Термитник делает один вдох в сутки

Стены термитника пронизаны тысячами микроскопических пор, как губка. Ветер их не продувает, но газы медленно просачиваются сквозь них. Ночью, когда снаружи прохладно, этот воздух охлаждает стены. Днём, когда снаружи жарко, прохладные стены охлаждают воздух внутри, как кувшин с ледяной водой. источник

Внутри термитника есть система каналов, горизонтальных и вертикальных. Тёплый воздух (он легче) поднимается вверх по центральной шахте. Через боковые каналы он выходит к наружным стенам, охлаждается и снова опускается вниз. Это конвекция, движение воздуха из-за разницы температур.

1. Днём солнце нагревает тонкие наружные стенки. Воздух в каналах у стен становится теплее и поднимается вверх, а по центральной шахте опускается вниз.
2. Ночью всё наоборот. Стенки остывают быстрее середины. Холодный воздух у стен опускается, а тёплый из гнезда поднимается по шахте.

За сутки воздух дважды меняет направление и перемешивается. Углекислый газ из гнезда попадает к стенам и выходит через поры, а свежий воздух просачивается внутрь. Учёные назвали это вентиляцией на солнечной энергии. Термитник дышит как лёгкое, делая один вдох и один выдох в сутки. источник

А ровное тепло держится в основном благодаря толстым глиняным стенам и земле вокруг гнезда. Им нужно много часов, чтобы нагреться или остыть, поэтому дневная жара и ночной холод до гнезда почти не доходят. Так же в погребе летом прохладно, а зимой не морозно. источник

Стройка без чертежа

У термитов нет прораба и плана. Ни один термит не знает, как должна выглядеть башня. Каждый просто реагирует на то, что чувствует рядом: запах, влажность, углекислый газ.

Работает это так. Термит кладёт комочек влажной земли со слюной, и на нём остаётся запах. Запах привлекает других термитов, и они кладут свои комочки туда же. Чем выше столбик, тем сильнее он пахнет и тем быстрее растёт. Соседние столбики тянутся друг к другу и смыкаются аркой. источник

Учёные называют такой способ стигмергией; то, что уже построено, подсказывает, что делать дальше. Влажность тоже важна, в сырую погоду термиты строят больше, а в сухую термитники выходят меньше. источник источник

Миллионы простых действий складываются в сложное здание с шахтами и каналами.

Никто не проектировал сложную систему вентиляции в башне. Термиты строят её по простому правилу — если здесь слишком тепло, то открой отверстие. Миллион термитов, каждый выполняет простое правило, и в результате возникает сложная архитектура, которую не придумали лучшие инженеры мира.

Именно это интересует сегодня программистов и инженеров. Они называют термита агентом, а колонию агентной системой. У термита есть три свойства, которые делают его агентом.

Восприятие

Агент чувствует мир, получает и различает сигналы. Восприятие всегда частичное, ни один агент не видит мир целиком. Агент замечает только то, для чего у него есть рецепторы. Это фундаментальное ограничение и одновременно основа для разделения труда между агентами.

Термит чувствует влажность, тепло и холод, улавливает тонкие запахи от других термитов и концентрацию углекислого газа (самое важное). Откуда берётся этот газ? Все живые существа дышат и с каждым выдохом выпускают его в воздух. Чем больше термитов собралось в одном месте, тем больше они надышали, тем гуще стал этот невидимый газ вокруг них. Термит его чует, это его входящие данные.

Правила поведения

Агент знает, что делать. Восприятие без правил бесполезно. Агент не просто чувствует мир, он обрабатывает сигналы и выбирает действие.

У термита правила жёсткие и врождённые: если феромон выше порога, клади комок земли здесь; чувствуешь высокую концентрацию углекислого газа, строй вентиляционный канал в этом направлении. Правил немного, они простые и не меняются.

Действия

Агент меняет мир. Он одновременно наблюдает и воздействует на среду и на других агентов. Это важное разграничение. Датчик температуры воспринимает, но не действует. Он не агент, он инструмент.

Агент замыкает петлю: воспринял → обработал → сделал.

Стигмергия

Термит воспринимает лишь локальные сигналы и не располагает сведениями об общем состоянии колонии. Возникает закономерный вопрос, каким образом миллион особей, не имеющих между собой прямой связи, возводит сложное инженерное сооружение? Ответ даёт механизм, получивший название стигмергия.

Стигмергия — это способ координации агентов через среду. Информация передаётся не от особи к особи напрямую, а через изменения, вносимые агентами в общую среду и считываемые другими агентами из этой же среды. источник

Каждый термит берёт комочек земли, смешивает со слюной и экскрементами; получает прочный материал; кладёт туда, куда указывают правила. Другой термит, почувствовав феромон в воздухе, приходит и кладёт свой комок рядом. Теперь запах стал сильнее. Третий, десятый, сотый — все кладут туда же. Начинает расти столб. источник

Связь через следы в общей среде, а не через прямой контакт. Это очень важный тип связи, он не требует, чтобы агенты знали друг о друге, достаточно, чтобы читали одну и ту же среду.

Вентиляционные каналы термитника не были спроектированы. Вентиляция возникла как побочный результат тысяч термитов, каждый из которых просто убегал от высокой концентрации углекислого газа. Температура в башне поднялась, углекислый газ вырос, термиты начали прогрызать каналы вверх. Температура упала, активность снизилась, каналы перестали строиться. Система сама регулирует себя через обратную связь. Эта башня — застывший след миллиона простых решений, каждое из которых было локальным ответом на локальный сигнал, а не чей-то архитектурный проект.

Сложность вырастает снизу вверх, из простых агентов, связанных через общую среду. Исходный проект при этом отсутствует.

Термит показывает нижнюю границу того, что нужно агенту, чтобы участвовать в создании сложной системы. Не нужен большой мозг, память, понимание цели; нужно только почувствовать сигнал и сделать простое действие в ответ. Всё остальное сделает сеть.

Зачем людям агентные системы

Представь, что на стройке термитника есть главный начальник. Он должен знать, где находится каждый из двух миллионов термитов, что происходит в каждом углу, и каждую секунду раздавать команды. Он не успеет. А если он заболеет, встанет вся стройка.

Такая же проблема есть у людей. Чем больше система и чем быстрее она меняется, тем хуже с ней справляется один главный мозг; информация разбросана по тысячам мест, а все решения идут через одно узкое горлышко.

Агентная система решает эту проблему. Вместо одного умного начальника работает много независимых исполнителей, и каждый совершает простое действие рядом с собой по заранее установленным правилам.

У такого способа три сильные стороны:

• Масштабируемость. Можно быстро добавить ещё сто агентов и не перестраивать всю систему.
• Надёжность. Если один агент выйдет из строя, остальные продолжат работу. Колония не погибает из-за одного термита.
• Гибкость. Агенты мгновенно реагируют на локальные перемены и не ждут приказа сверху.

Есть и слабая сторона, поведение такой системы трудно предсказать. Подобрать простые правила так, чтобы из них выросло именно то, что нужно, очень сложно. Эволюция потратила на это миллионы лет.

Где работают агенты

• Роботы-термиты строят из кирпичиков башни, замки и пирамиды. Каждый робот смотрит на уже построенное и решает, куда положить следующий кирпич. Это стигмергия в чистом виде. Те же правила работают и для пяти роботов, и для пятисот. Таких роботов можно отправлять укладывать мешки с песком перед наводнением или строить на Марсе. источник
• Муравьиный алгоритм. Виртуальные муравьи ищут дорогу и оставляют цифровой феромон. Чем короче путь, тем сильнее след. Такие алгоритмы помогают прокладывать маршруты, например для доставки грузов. источник
• Виртуальные города. Учёные строят компьютерные модели, где тысячи агентов-людей ходят, ездят и встречаются. Так проверяют, как быстрее освободить стадион, где возникнут пробки или как распространяется эпидемия. источник источник
• ИИ-агенты. Сегодня агентами часто называют программы на основе нейросетей. Они тоже замыкают петлю, читают данные, решают, что делать, и действуют, ищут в интернете, пишут код, заполняют таблицы. Большую задачу можно разделить между несколькими такими агентами, один собирает факты, другой пишет, третий проверяет. Иногда они договариваются, оставляют заметки в общих файлах, и следующий агент продолжает с того места, где остановился предыдущий. источник

Термиту не нужно понимать, что он строит кондиционер для грибной фермы. Люди долго учились строить по чертежам. Теперь мы учимся придумывать правила, из которых само вырастет нужное решение.