Konstruktion adaptiver Biomassenetzwerke mithilfe der Physarum polycephalum-Strategie

Bei Physarum polycephalum handelt es sich um einen Schleimpilz, d.h. einen größeren, einzelligen, amöboiden Organismus. Die aktive Suche nach Futter erfolgt dabei positiv chemotaktisch. Wurde eine Nahrungsquelle identifiziert, so ziehen sich Adern rythmisch zusammen und entspannen sich anschließend wieder, um so das vorhandene Zellplasma zu transportieren. Dauert eine der beiden Phasen länger, so bewegt sich der Organismus in die entsprechende Richtung.

In Tero et al. wurden Schleimpilze untersucht und ein mathematisches Modell für die adaptive Entwicklung von Netzwerken abgeleitet. Angewandt wurde dieses Modell bspw. auf das aktuelle Eisenbahnstreckennetz der Region Tokio. Initial wurden 36 Futterquellen so gewählt, dass sie (maßstabsgetreu) die geographische Position von Städten in der Umgebung von Tokio repräsentierten. Der Ausgangspunkt für Physarum polycephalum war Tokio. Nachdem er zunächst großflächig wuchs, bildeten sich (nach 8 Stunden) direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Futterquellen heraus. Nach ca. Tag hatte der Pilz das tatsächliche Schienennetzwerk fast deckungsgleich nachgebildet.

Das von Tero et al. vorgestellte mathematische Modell soll im Rahmen der Abschlussarbeit auf das Anwendungsszenario Optimierung von Biomassenetzwerken übertragen werden. Dazu bedarf es bspw. einer Erweiterung des Verfahrens um verschiedene Futtertypen (Angebote bzw. Nachfragen), die allerdings weiterhin über/durch dasselbe Netzwerk transportiert werden müssen.

Neben der Konzeption und Realisierung einer geeigneten Simulationsumgebung und ggf. einer GUI steht die Schaffung eines Datenformats zur Spezifikation (von mindestens) der Futterquellen des Schleimpilzes sowie der Simulationsparameter im Vordergrund. Eine Bewertung der Simulationsergebnisse kann sich auf eine Durchführung analog zu Tero et al. beschränken.

Da sich die skizzierte Arbeit durch einen hohen praktischen Anteil auszeichnet, ist Erfahrung in der Adaption und Implementierung von Algorithmen zwingend erforderlich. Zu einem späteren Zeitpunkt soll die realisierte Software an bereits bestehende Systeme angekoppelt werden, sodass eine Realisierung dieser Arbeit in Java von Vorteil wäre. Sollte der Kandidat eine andere Programmiersprache vorziehen, so müssen von ihm zusätzlich entsprechende Schnittstellen umgesetzt werden, die einen javaseitigen Aufruf von Methoden/Funktionen ermöglichen.

Die exakte Ausgestaltung der Abschlussarbeit ist mit dem Betreuer abzustimmen.

Atsushi Tero, Seiji Takagi, Tetsu Saigusa, Kentaro Ito, Dan P. Bebber, Mark D. Fricker, Kenji Yumiki, Ryo Kobayashi, Toshiyuki Nakagaki:
Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design
Science, 327(5964):439-442, 2010

Dipl.-Inform. Barbara Rapp