Hocheffiziente Netzwerker

Welcher ist der schnellste Pfad zur Nahrung? Gibt es womöglich einen besseren Weg zum Nest? - Fragen wie diesen gehen Ameisen täglich auf den Grund. Für eine einzelne Ameise ist dies eine zu große Herausforderung - alleine kann sie den kürzesten Weg nicht finden. Nur zusammen mit ihren Kollegen und durch eine gut organisierte Teamarbeit wird die Lösung gefunden.

Jede einzelne Ameise befolgt spezielle Regeln und erfüllt ihren Teil der Aufgabe. Der Schwarm organisiert sich selbst und demnach finden die Ameisen als Team in kürzester Zeit den schnellsten Weg zu ihrer Nahrungsquelle. Nicht nur die Ameisenforscher (Myrmekologen) sind an dieser höchst raffinierten Form der Futtersuche interessiert. Wissenschafter aus verschiedenen Bereichen, etwa der Informatik, Physik und Mathematik, versuchen von den sozialen Insekten zu lernen. Sie untersuchen diesen hocheffizienten Vorgang und versuchen daraus allgemeinere Erkenntnisse abzuleiten, um komplizierte Probleme des Alltags zu lösen, etwa Routen zu berechnen.

Kollektive Intelligenz

Ameisen gehören zu den faszinierendsten Lebewesen auf der Erde: Sie organisieren sich in großen Staaten, die aus einigen hundert bis mehreren Millionen Indivi- duen bestehen. Für eine gute Teamarbeit ist eine hervorragende Kommunikation unter den Ameisenkollegen äußerst wichtig. Der Informationsaustausch erfolgt bei Ameisen großteils chemisch über verschiedene Duftstoffe. Diese sogenannten Pheromone sind die wichtigste Verständnismöglichkeit bei der Nahrungssuche.

Eine mathematische Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences beschreibt die komplexen Bewegungen einer Ameisenkolonie bei der Nahrungssuche in drei Phasen: Einzelne Ameisen begeben sich auf die Suche nach Futter. Sie erkunden zunächst die Umgebung und schweifen scheinbar chaotisch umher - ihre Wege folgen keinem erkennbaren Muster. Sobald sie erschöpft sind, kehren sie in das Nest zurück, um zu fressen und zu ruhen.

Wenn aber manche Ameisen Nahrung gefunden haben, nehmen sie einen Teil von dieser mit und kehren damit in das Nest zurück. Auf ihrem Weg hinterlassen sie Spuren von Duftstoffen. Die Ameise, die einen besseren Weg gewählt hat als die anderen Kundschafter, kehrt schneller von der Nahrungsquelle in das Nest zurück. Daher holt diese schneller Verstärkung als jene Ameisen, die sich auf den längeren Wegen befinden. Die Kollegen im Nest werden von den Kundschaftern über die Nahrungsquelle informiert und orientieren sich demnach an deren hinterlassenen Duftspuren. Sie verlassen sich auf die erste Meldung des Kundschafters und begeben sich auf dem kürzeren Weg zur Nahrungsquelle. Auch sie hinterlassen Duftspuren. Je mehr Ameisen diesen Weg zur Futterquelle nutzen, desto intensiver wird die Spur aus Pheromonen - diese Duftstoffe dienen demnach als Wegweiser für die Ameisen.

Anfangs ist das Verhalten der Insekten noch recht unbestimmt, da nur wenige Pheromone den optimalsten Weg weisen. Daher rennen die Ameisen durcheinander und ihre Wege folgen keinem erkennbaren Muster. Die Pheromone werden aber schon nach kurzer Zeit flüchtig, wenn sie auf dem Pfad nicht erneuert werden. Somit werden die Möglichkeiten an Routen zur Nahrungsquelle reduziert. Die Pheromone führen demnach zur einer Optimierung des Weges - und die Pfade der Ameisen folgen nun einem deutlich erkennbaren Muster: Eine Ameisenstraße ist entstanden. Die sozialen Insekten verschwenden durch diese hocheffiziente Teamarbeit weniger Energie und Zeit.

Im Kollektiv bilden die Ameisen ein hocheffizientes Netzwerk: Durch ein geschicktes Zusammenspiel von mehreren Teilnehmern wird in kürzester Zeit die optimalste Lösung gefunden - jedes Individuum trägt nur einen Teil zur Gesamtlösung bei. Dieses Vorgehen beschreiben Wissenschafter als kollektive Intelligenz.

Virtuelle Krabbler

Einer Gruppe von Mailänder Wissenschaftern unter der Führung von Marco Dorigo fiel bereits 1991 das komplexe Verhalten der Ameisen auf. Sie entwickelten ein Schema, nach dem sich die sozialen Insekten bewegen, um ihren Vorgang mathematisch zu erklären. Den ersten "Ameisenalgorithmus" nannte Dorigo "Ant System".

Die Besonderheit dieses Verfahrens ist der sogenannte Optimierungsprozess: Durch neue Informationen verbessern die virtuellen Ameisen des Ant Systems ihre Wege, bis der schnellste gefunden ist. Dorigos Ziel war die Schaffung eines Optimierungswerkzeuges, mit dem sich alltägliche Probleme wie etwa die Routenberechnung einfach lösen lassen. Das Ant System weckte bald das Interesse von anderen Wissenschaftern. So wurde der Algorithmus in den letzten Jahren erweitert und verbessert. Eine wichtige Erweiterung lieferte in den Folgejahren der Forscher Thomas Stützle mit dem sogenannten Max-Min Ant System, mit dem bisher die besten Ergebnisse für die Routenberechnung erzielt wurden.

Das für die Ameisen entwickelte mathematische Modell ermöglicht neue Blickwinkel auf die Verhaltensmuster anderer Tierarten, die ebenfalls immer wieder zu einem Zuhause zurückkehren, wie etwa Albatrosse. Zudem ist es auf das Verhalten des Menschen anwendbar. Mit den erweiterten Ameisenalgorithmen lassen sich viele alltägliche "kombinatorische Optimierungsprobleme" lösen, etwa Routenplanungen, die Verteilung der Post und anderer Waren.

Mathematiker nutzen die kollektive Intelligenz der Ameisen, wenn sie die kürzeste Strecke zwischen mehreren Punkten ermitteln wollen. Solange die Anzahl der Routenpunkte übersichtlich bleibt, lässt sich die beste Fahrtzeit mit Hilfe eines Computers relativ einfach ermitteln. Je mehr Koordinaten hinzukommen, würde dieses rein rechnerische Verfahren jedoch umso komplexer werden.

Problemlöser

Zur Veranschaulichung des Prinzips gibt es folgendes Beispiel: Ein Postbote muss 12 Pakete an 12 verschiedene Adressen liefern. Welche ist die kürzeste Verbindung? Um die optimale Lösung zu finden, könnte er alle möglichen Routen berechnen und dann die kürzeste wählen. Dieses Verfahren würde eine lange Zeit in Anspruch nehmen: Der Postbote müsste 19.958.400 Routen berechnen und vergleichen. Diese Methode eignet sich daher nur für eine geringe Anzahl von Orten. Je größer das Problem, je mehr Adressen der Postbote besuchen muss, desto länger und komplexer wird der Rechenaufwand.

Um ein langes Rechnen zu vermeiden, orientiert sich der Postbote am Ameisenalgorithmus. In einfachen Computersimulationen werden virtuelle Ameisen auf eine Rundreise zu allen 12 Koordinatenpunkten geschickt. Wenn eine Ameise zum Ausgangsort zurückkehrt, gibt sie an, wie groß die Entfernung ist, die sie zurückgelegt hat. Jeder Streckenabschnitt zwischen den Punkten wird bewertet. Je höher die Punktezahl im Ranking, desto kürzer war die Reise. Die Route mit dem besten Ranking wird von den virtuellen Ameisen verstärkt benutzt. So liefern die Ameisenalgorithmen eine möglichst optimale Route.

Die US-Forscher Russel Eber- hart und Jim Kennedy führen die Idee der Ameisenalgorithmen noch einen Schritt weiter: In ihrem Computerprogramm erarbeitet jede Ameise für sich die beste Lösung und vergleicht dann mit ihren virtuellen Kollegen die Ergebnisse. So lernen sie voneinander und kommen gemeinsam zum besten Ergebnis.

Der Algorithmus wurde im Laufe der Jahre erweitert und verbessert und an die angehenden Probleme des Alltags angepasst. Auch der Emailverkehr, das Telefonnetzwerk und das Internet funktionieren nach demselben Prinzip: Mit Hilfe der virtuellen Ameisen können freie Strecken während des Betriebs schneller gefunden werden.

Superorganismus

Eine einzelne Ameise hat ein sehr begrenztes Verhaltens- und Reaktionsrepertoire. Im selbstorganisierenden Zusammenspiel mit ihren Ameisenkollegen ergeben sich jedoch intelligente Verhaltensmuster und der Schwarm bildet einen "Superorganismus".

Stauforscher an der Universität Köln versuchen das intelligente Verhalten der Ameisenschwärme auf das Verkehrssystem anzuwenden. Ameisen haben ein ähnliches Verkehrssystem wie die Menschen. Auch sie bilden Straßen und überbrücken Hindernisse, Verkehrsstaus haben sie aber keine. Dies liegt vor allem daran, dass die Ameisen alle im gleichen Tempo über ihre Straßen laufen und nicht versuchen, schneller am Ziel zu sein als der Vordermann.

Demnach kommen bei einer selbstorganisierten Ameisenstraße Brems-, Beschleunigungs- und Überholmanöver, die allesamt die Unfallgefahr und damit auch die Entstehung eines Staus begünstigen, kaum zustande. Der Hauptunterschied zwischen dem Verkehr von Ameisen und Menschen ist, dass die Ameisen ein gemeinsames Interesse haben: Sie alle wollen die Nahrung in ihren Bau befördern. Nur wenn der Verkehr so störungsfrei wie möglich fließt, kommt genug Futter ins Nest.

Demnach kooperieren Ameisen, weil sie ein gemeinsames Ziel verfolgen - Menschen haben andere Interessen: manche fahren in die Arbeit, in die Schule, andere zum Einkaufen. Stauforscher versuchen aus dem Verhaltensmuster der Ameisen neue Ideen für das Verkehrssystem des Menschen zu entwickeln. Solange aber der Mensch freilich selbstständig entscheidet, beschert dessen Egoismus einen mühsamen Verkehrsstau . . .

Andrea Ojdanic, 1992 in Bosnien geboren, lebt in Wien und studiert Physik an der Universität Wien mit Spezialisierung auf Umwelt- und Biophysik.