Ruồi giấm giúp loài người giải quyết vấn đề mạng máy tính

Tại sao các nhà khoa học dùng ruồi giấm để giải quyết các vấn đề về mạng máy tính?

                               Ảnh: Tế bào thần kinh của ruồi giấm ứng dụng trong mạng máy tính

Các nhà khoa học nghiên cứu “Các tế bào thần kinh của ruồi giấm đã thành công trong việc thiết lập một hệ thống phát triển sinh học, hoạt động một cách logic, và cho thấy rằng hệ thống phát triển sinh học này, có thể được viết lại dưới dạng một thuật toán tin học để giải quyết vấn đề hiện tại một cách tiện lợi và hiệu quả. Cơ chế sinh học ruồi giấm, đã khám phá ra những giải thuật hỗ trợ trong thiết kế hệ thống điều khiển máy bay và các cơ chế tìm kiếm trên mạng. Những khám phá ấy dường như chỉ ra rằng, một thiết kế sâu sắc và cơ bản đã hiện hữu ngay bên trong những sinh vật sống.

Hãy xem một vấn đề tồn tại lâu dài trong khoa học điện toán là việc sử dụng các bộ cảm biến hoặc rô-bô, chẳng hạn như những thiết bị được sử dụng để giám sát hoạt động núi lửa. Thông thường, mỗi bộ cảm biến hoạt động trên các tác vụ độc lập với những bộ cảm biến khác song kết quả tổng thể đòi hỏi một sự điều phối hoặc kết nối mạng giữa các bộ cảm biến đó. Việc sử dụng hiệu quả các nguồn lực đòi hỏi lượng thông tin liên lạc phải cân bằng với mức độ phức tạp của những bộ cảm biến. Mặc dù có nhiều máy dò cùng nghe tiếng rung chuyển của hoạt động núi lửa, chỉ có vài máy hoạt động như người chỉ huy thu thập thông tin và tường trình nó về cơ quan đầu não. Nói cách khác, càng có nhiều truyền thông thì sự phân tích đó càng được tiến hành kỹ lưỡng hơn, thế nhưng những bộ cảm biến phải phức tạp hơn (và do đó tốn kém hoặc hao tốn năng lượng hơn). Quá nhiều thông tin chồng chéo trên mạng trở nên rất tốn kém.


Một cách đặc trưng, chìa khóa để tìm ra sự cân bằng đúng mức đòi hỏi một số cảm biến đảm nhận vai trò chỉ huy cục bộ để không xảy ra tình trạng là hai bộ phận chỉ huy kết nối với nhau nhưng mọi cảm biến chỉ kết nối với một (và chỉ một) bộ phận chỉ huy. Các nhà khoa học điện toán xem một cấu hình như thế là một "Tập hợp độc lập tối đa" hay MIS.


Khó khăn phát sinh khi xác định một thuật toán (là tập hợp các quy luật để giải quyết một vấn đề) sao cho những bộ cảm biến “tuyển chọn” các người chỉ huy với số lượng liên lạc tối thiểu.


Mặc dù các nhà khoa học điện toán đã trải qua ba thập niên để đưa ra các giải thuật nhằm giải quyết những vấn đề về MIS, nhưng không một giải thuật nào có thể hoạt động hiệu quả và thiết thực như giải thuật đã được dùng để triển khai hệ thần kinh của con ruồi giấm. Giờ đây các nhà khoa học điện toán đang tìm cách bắt chước tiến trình này vào trong những mạng do con người thiết kế.


Những xúc mao của con ruồi bắt đầu phát triển trong thời kỳ ấu trùng và nhộng. Vài cụm tế bào và bất kỳ một trong những tế bào này đều có thể hình thành một xúc mao sau này. Khi những tế bào tiếp tục lớn lên, có tế bào biểu hiện một protein ở các mức cao sẽ chèn sự tăng trưởng của những tế bào lân cận để trở thành những xúc mao. Kết quả cuối cùng là có một MIS có những xúc mao được hình thành từ những tiến trình ngẫu nhiên với sự trao đổi thông tin tối thiểu giữa các tế bào.


Việc thiết lập mô hình toán học của tiến trình này cho thấy hai điểm trội của giải pháp của con ruồi giấm so với các giải thuật do con người triển khai. Trước tiên, việc lựa chọn chỉ huy không phụ thuộc vào kiến thức về số lượng các đối tượng lân cận có sẳn cho sự lựa chọn. Thứ hai, việc truyền thông xảy ra một cách phi tuyến để cho sứ điệp bằng chất hóa học đó nâng lên tới mức là một tín hiệu nhị phân.


Sau khi triển khai một giải thuật máy tính dựa trên giải pháp của con ruồi giấm đã là một giải pháp nhanh chóng cho vấn đề MIS, một đồng tác giả đã lưu ý rằng: ”Giải pháp sinh học hiệu quả và vững chắc hơn bởi vì nó không đòi hỏi quá nhiều giả định”. Một đồng tác giả khác đã tuyên bố rằng “đó là một giải pháp đơn giản và trực quan, tôi không thể tin rằng chúng tôi đã không nghĩ đến điều này 25 năm trước đây.”


Nhiều nhà khoa học vô thần trước kia đã cho rằng cuộc sống phát sinh và tiến hoá bởi các tiến trình tự nhiên không được điều động. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm những giải pháp khắc phục các vấn đề phức tạp—trong trường hợp này, bằng cách nghiên cứu các sinh thể, chúng bỏ xa những gì đã được khám phá bởi một mình trí tuệ con người. Thực tế này nằm quá khít khao trong một thế giới quan mà trong đó một Nhà Thiết Kế siêu thông minh đã tạo nên sự sống trên trái đất.

                                       Dịch giả: Thái Trần Ngọc Lan và Hoa Thiên Lý