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Distributed Algorithms for Optimal Decision-Making

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Wie Honigbienen Schwarmrobotern – und uns – zu besseren Entscheidungen verhelfen

Dank neuer Forschungsergebnisse wissen wir nun, dass die der Entscheidungsfindung zugrunde liegenden Regeln in allen Individuen, Gruppen und Superorganismen wie zum Beispiel Insektenschwärmen konserviert sind.

Grundlagenforschung

Schwärme automatisierter Roboter müssen Informationen untereinander austauschen, um effizienter arbeiten zu können und die Entscheidung zu treffen, was zu tun ist. Das EU-finanzierte Projekt DiODe hat nun nach den universellen Wahrheiten über die Architektur dieses deliberativen Prozesses gesucht. „Unser Ziel bestand darin, herauszufinden, wie Gruppen bestmöglich Entscheidungen treffen können“, sagt Projektkoordinator James Marshall, Professor für Theoretische Biologie und Bioinformatik an der Universität Sheffield. Sein Team griff bei den Untersuchungen auf die Neurowissenschaften, Entscheidungstheorie, Mathematik, Politikwissenschaft und Psychologie zurück. „Die Motivation für diesen Ansatz ist darin begründet, dass viele Schwarmroboter mit Heuristiken arbeiten, die fallweise ausgelegt sind und nicht ohne kleine Tricks auskommen“, erklärt er. „Damit Schwarmrobotik zu einer soliden Technik wird, deren Einsatz sich lohnt, müssen wir stärker darüber nachdenken, wie sich die Gruppe verhalten wird.“

Quorum-Sensing

Eine Hauptaufgabe lautete herauszufinden, welcher Abstimmungsschwellenwert als Grundlage der Entscheidungsfindung dienen sollte. „In den Politikwissenschaften wird oft angenommen, dass ein einfacher Mehrheitsschwellenwert zur Anwendung kommen sollte, da doch das Condorcet-Jury-Theorem besagt, dass bessere Entscheidungen getroffen werden, je mehr Mitglieder die Gruppe hat“, ergänzt Marshall. „Wir haben bewiesen, dass es noch weitaus mehr Nuancen gibt.“ In Anlehnung an die Signalentdeckungstheorie konnten Marshall und sein Team demonstrieren, dass scheinbar binäre Entscheidungen, wie etwa die Entscheidung eines Bienenschwarms, ob ein Ort ein guter Nistplatz ist oder nicht, komplexer sind, da sie sowohl das Risiko von falsch-negativen als auch falsch-positiven Entscheidungen in sich bergen. „Berücksichtigen wir diese Nuance, ändern sich die in einer Gruppe benötigten optimalen Anteilswerte, und können abhängig von Dingen wie den relativen Kosten der verschiedenen Fehlerarten eine qualifizierte oder nicht qualifizierte Mehrheit einnehmen“, erläutert er. Marshall erklärt weiter, dass in der Natur Entscheidungen typischerweise auf Quorum-Sensing und nicht auf einer qualifizierten Mehrheit beruhten und dann eine Entscheidung auslösten, wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht sei. „Wir haben in diesem Raum eine wunderbare mathematische Struktur gefunden: Das war der ästhetischste mathematische Moment meiner gesamten Karriere“, bekräftigt er. Ein weiterer Unterschied, den Marshall erwähnt, besteht darin, dass, während die Demokratien der Menschen eher in einem entscheidenden Akt abstimmten, in der Natur Entscheidungen eher allmählich geformt würden, wobei ständig neue Informationen hinzukämen. „Ein Schwarm stimmt nicht nur einmal ab, sondern im Verlauf eines fortschreitenden Prozesses, bei dem sich die Bienen während der Abstimmung gegenseitig beeinflussen, und konkurrierende Bienen gehemmt werden.“

Die Intelligenz der Masse

Marshalls Team führte weitere Untersuchungen durch, wobei das Ziel lautete, den optimalen Weg zu finden, um die für die Entscheidungsfindung notwendige Zeit mit dem Wert, der sich aus dieser Entscheidung ergibt, auszugleichen. Diese beiden Faktoren sind für den effizienten Betrieb von Drohnenrobotern bedeutsam. Das Projekt wurde durch den Europäischen Forschungsrat unterstützt. „Auf diese Weise konnte ich ein Langzeitteam aufbauen, das sein Fachwissen vereint und erweitert hat“, sagt Marshall. „Es war eine gute Gelegenheit, sich über einen ausreichend langen Zeitraum auf diese Probleme zu konzentrieren, und es konnten stimmige Fortschritte erzielt werden.“ Die Erkenntnisse der Gruppe sind nun in einem Online-Portal allgemein zugänglich, damit andere Forschende ihre Ideen anhand von Modellorganismen testen können. Sie fließen außerdem in das von Marshall geleitete Spin-Out-Unternehmen Opteran Technologies ein, das für automatisierte Maschinen tierähnliche Gehirne in Silizium verschlüsseln wird.

Schlüsselbegriffe

DiODe, Entscheidung, automatisiert, verteilt, Condorcet, Jury, Demokratien, Schwarm, mathematisch

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