Schleimpilz als Vorbild für effiziente Netzwerke

Forscher aus Japan und dem Vereinigten Königreich haben entdeckt, dass ein Schleimpilz an der Optimierung verschiedener technischer Systeme mitarbeiten könnte. Die im Fachblatt Science veröffentlichten Forschungsergebnisse sind Teil des MMCOMNET-Projekts ("Measuring and modell...

Forscher aus Japan und dem Vereinigten Königreich haben entdeckt, dass ein Schleimpilz an der Optimierung verschiedener technischer Systeme mitarbeiten könnte. Die im Fachblatt Science veröffentlichten Forschungsergebnisse sind Teil des MMCOMNET-Projekts ("Measuring and modelling complex networks across domains"), das mit Mitteln in Höhe von 1,5 Mio. EUR innerhalb des Themenbereichs "Neue und aufkommende wissenschaftliche und technologische Entwicklungen" (NEST) des Sechsten EU-Rahmenprogramms (RP6) gefördert wurde.

Die Ingenieure erforschten mithilfe des glibbrigen Probanden Physarum polycephalum, ob es unter Einsatz eines Schleimpilzes eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zur Netzwerkentwicklung geben könnte. Die Forscher unter Leitung von Dr. Atsushi Tero von der Universität Hokkaido in Japan stellten fest, dass sich der Schleimpilz in einer Form, die dem Eisenbahnnetz rund um die japanische Hauptstadt Tokio enorm ähnelte, in Richtung Nahrungsquellen ausbreitete.

Das Team verteilte auf einer feuchten Oberfläche mit dem Umriss der Küste Japans Haferflocken an Stellen, die den Städten um Tokio entsprachen. Der Schleimpilz P. polycephalum wurde auf "Tokio" platziert und wuchs von dort aus nach außen. Die Wissenschaftler beobachteten die selbstorganisierte Ausbreitung des Schleimpilzes. Er schuf ein Netzwerk mit Eigenschaften ähnlich denen des Tokioter Bahnnetzes: effizient, zuverlässig und kostengünstig.

"Einige Organismen wachsen als Teil ihrer normalen Nahrungsbeschaffungsstrategie in der Form eines Netzwerks, um neue Ressourcen zu entdecken und zu nutzen", erklärt Hauptautor Dr. Tero. "Physarum ist ein großer, einzelliger, amöboider Organismus, der nach fleckenweise verteilten Nahrungsquellen sucht... [Er] kann den kürzesten Weg durch ein Labyrinth finden oder verschiedene Nahrungsquellen auf eine effiziente Art und Weise verbinden: mit geringer Gesamtlänge, jedoch möglichst kurzem durchschnittlichen Mindestabstand zwischen zwei Nahrungsquellen und mit einem hohen Grad der Fehlertoleranz gegenüber unbeabsichtigtem Trennen einer Verbindung."

Das Team erkannte: Die Mechanismen dieses biologischen Systems zu verstehen, könnte zur verbesserten Gestaltung selbstorganisierender und kostengünstiger Netzwerke in der realen Welt beitragen. Die Wissenschaftler konnten mit Erfolg die grundlegenden Mechanismen ergründen, die der Schleimpilz zur effektiven Verbindung seiner Nahrungsquellen benötigt, und brachten diese dann in ein mathematisches Modell ein.

In ihrer Arbeit stellen die Forscher fest, dass die Essgewohnheiten dieses Schleimpilzes insbesondere auf neuen Wissenschaftsgebieten und bei aufkommenden Technologien für effizientere und adaptivere Kommunikations- und Transport-Netzwerke sorgen können.

In einem Begleitkommentar der Zeitschrift Science äußert Professor Wolfgang Marwan von der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg in Deutschland dazu: "Das Modell erfasst die grundlegende Dynamik der Netzwerkanpassungsfähigkeit durch Zusammenspiel nach lokalen Regeln und erzeugt Netzwerke mit Eigenschaften, die vergleichbar gut wie oder besser als die Infrastrukturnetzwerke unserer realen Welt sind.

Die Arbeit von Dr. Tero und seinen Kollegen zeigt ein faszinierendes und überzeugendes Beispiel dafür, [wie] biologisch inspirierte, rein mathematische Modelle zu völlig neuen, hocheffizienten Algorithmen hinführen, die technische Systeme mit den grundlegenden Eigenschaften lebender Systeme ausstatten können, um dann Einsatz in Bereichen wie der Computertechnologie zu finden."

Dr. Tero zufolge hat dieses innovative Modell das Potenzial, effizientere und kostengünstigere selbstorganisierende Netzwerke zu unterstützen; man denke beispielsweise an mobile Ad-hoc-Netzwerke und Fernsensor-Arrays.

An der Forschungsarbeit waren weitere Institute beteiligt: die Japan Science and Technology Agency (JST), die Hiroshima University, Japan, und die University of Oxford, Vereinigtes Königreich.

Die im MMCOMNET-Projekt zusammenarbeitenden Wissenschaftler stammten aus Deutschland, Frankreich, Polen, Schweden, der Schweiz und dem Vereinigten Königreich.

Länder

Japan, Vereinigtes Königreich