人类花百年规划设计的铁路网，这些无脑生物26小时就搞定了

美图君中科院物理所 2019-04-02

本文转载自公众号“把科学带回家”（ID：steamforkids）

你应该坐过火车对吧？一个国家，还有国家和国家之间有许许多多的铁路，它们组成了铁路网。

显然从成本和效率的角度考虑，铁路不可能经过每一个城市。在哪些城市设立交通枢纽能覆盖最多的旅客，同时让城市之间的旅行线路变得更短，就是铁路规划的学问了。

在交通网规划设计的问题上，有许许多多领域的科学家参与了进来，比如数学家，计算机科学家。但是最近，一种奇特的生物却在这个领域里横空出世，成为了极为强大的问题解决专家。

就这么说吧，东京的铁路系统从1872年开始运行，第一条铁路连接的是东京和横滨。这个铁路系统花了工程师们100多年的时间才优化成现在的样子，但是我们将要介绍的这种生物只花了短短的26小时，就得到了同样高效的结果。更令人啧啧称奇的是，和人类相比，这种生物非常原始低等，它们甚至都没有大脑。

这究竟是怎么回事呢？

实际上，用生物来解决空间规划问题的方法由来已久。比如，科学家曾经用蚂蚁的觅食行为来模拟晶体的生长。

不过在空间设计方面，有一种叫做黏菌（Physarum polycephalum）的生物在近10年来却倍受青睐。

黏菌虽然名字里有个菌字，但它不是细菌也不是真菌，而是一种单细胞变形虫，也就是一种原生生物。

它可以从一个点开始向四周伸展，寻找食物。一旦找到了食物来源，那么那些没有找到食物的“触手”就会收缩消失。最后在黏菌的觅食网上，就只留下了那些有食物供给，并且能有效传递营养的线路和节点。

黏菌甚至可以在迷宫里找到走出迷宫的最短路径。

当然了，一个黏菌细胞最后形成的网络实际上还是一个细胞，只不过比一开始的要大，而且有好几个细胞核而已。

听到这里你应该已经猜到了。如果我们把一粒一粒的食物当作是一个个城市，按照地图的分布放在黏菌周围，那么它是否就可以规划出能够高效连接城市（食物分布点）的网络呢？

2010年，日本北海道大学的科学家 Atsushi Tero 和同事在《科学》（Science）期刊上发表了一项研究，他们成功地用地燕麦片替代城市，在培养皿里让黏菌绘制了东京铁路系统的线路图。

让人惊掉大牙的是，黏菌绘制出的东京铁路系统，和人类百年来勤勤恳恳地通过反复试错修建出来的铁路网几乎一摸一样。

下图中，左边是人类造的东京铁路网，右边是黏菌造的。

再来看看静态图。下图中，上面是黏菌用短短几天时间和一些燕麦片设计的，下面是人类花了100年和大量金钱设计的。

从那时起，许多做交通运输网优化研究的科学家就开始应用黏菌来设计交通网。甚至有人利用黏菌绘制出了丝绸之路和全球贸易网。

用黏菌来帮人类规划空间设计有不少好处，比如速度快、成本低、操作方便。黏菌平均每小时向外生长1厘米。只需要几天，它们就可以解决人类要花几年甚至数十年才能通过实践，或者借助超级计算机才能找到的优化方案。

英国西英格兰大学（University of the West of England）非常规计算中心主任 Andrew Adamatzky 教授也用燕麦片来当作城市，比较了14个国家的交通网和黏菌绘制的高速公路的差别，他发现，比利时、加拿大和我国的高速公路网和黏菌“设计”的方案最为相似，而美国以及非洲的交通网效率最低。

下面是黏菌设计的美国交通网。

下面是黏菌正在“设计”的西班牙的高速公路网。

下面是真实的西班牙高速公路网（左）和黏菌的设计（右）的对比：

Adamatzky 用黏菌设计的非洲铁路网：

Adamatzky 把燕麦片放在世界24个大城市的位置，然后让黏菌来设计丝绸之路，结果和历史上的丝绸之路有很高的重合度（76%）：

美国新泽西理工学院（NJIT）的助理教授 Simon Garnier 也用美国地图和黏菌做了试验。看到了吧，黏菌3天的成果，和人类用数十年，数百万美金得到的效果几乎没有差别。

当然，黏菌不仅可以用来模拟高效的交通系统，还可以用来模拟撞车、洪水等天灾人祸。

那么怎么模拟呢？只要在培养皿的相应位置上撒上盐巴就可以了。

这是因为，盐对于黏菌来说是有毒的，遇到盐粒，黏菌就会撤退，转而寻找其他替代线路。因此，利用黏菌遇到盐粒时的应对措施，科学家就可以预测某地发生交通事故时附近的交通变化。

刚才我们说到黏菌是无脑的单细胞生物，其实它们比我们想象的要聪明多了。

2012年，悉尼大学的研究者发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究发现，黏菌不但能够形成有效的食物运输网络，还能在不成功的线路上用化学物质标记，就好像我们立上“此路不通”的标牌一样。这样一来，黏菌就可以记住那些低效的线路，防止以后犯错。

更厉害的是，在野外，当一季的食物吃完后，黏菌们就会聚集起来，共同繁殖。