[논문 리뷰] Schlauschleimer in Reichsautobahnen: Slime mould imitates motorway network in Germany

Andrew Adamatzky, Theresa Schubert|UWE Research Repository (UWE Bristol)|2012. 09. 16.

Slime Mold and Myxomycetes Research참고 문헌 33인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 독일의 고속도로 네트워크의 발전을 모의하기 위해 슬라임 몽크 *Physarum polycephalum* 를 사용한다. 주요 도시에 영양원을 배치하고 베를린에 플라스모디움을 접종함으로써, 원형망이 실제 고속도로의 구조와 유사하게 형성된다. 슬라임 몽크가 형성한 원형망은 실제 고속도로의 위상과 높은 유사성을 보이며, 실험의 40%에서 60%의 고속도로 구간이 재현되었고, 헤이델베르크–브레멘, 쾰른–프랑크푸르트–마인츠–카를스루에–슈투트가르트–뮌헨 등의 주요 연결 구간은 90% 이상의 실험에서 재현되었다. 이는 인간의 인프라 계획을 모방하는 데 있어 생물학적 네트워크 최적화가 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The German motorway, or 'autobahn', is characterised by long traditions, meticulous state planning, historical misbalance between West and East Germany's transport networks, and highest increase in traffic in modern Europe, posing a need for expansion and/or restructuring. We attempt to evaluate the structure of autobahns using principles of intrinsic optimality of biological networks in experiments with slime mould of Physarum polycephalum. In laboratory experiments with living slime mould we represent major urban areas of Germany with sources of nutrients, inoculate the slime mould in Berlin, wait till the slime mould colonises all major urban areas and compare the statistical structure of protoplasmic networks with existing autobahn network. The straightforward comparative analysis of the slime mould and autobahn graphs is supported by integral characteristics and indices of the graphs. We also study the protoplasmic and autobahn networks in the context of planar proximity graphs.

연구 동기 및 목표

• 독일의 고속도로 네트워크 구조가 생물학적 교통 네트워크에서 관찰되는 내재적 최적성 원칙과 일치하는지 평가하기.
• *Physarum polycephalum* 의 사냥 행동이 인간이 계획한 고속도로 시스템의 위상 구조를 자연스럽게 근사할 수 있는지 탐구하기.
• 그래프 이론적 지표를 사용하여 슬라임 몽크의 원형망과 실제 고속도로 네트워크의 통계적 및 위상적 특성을 비교하기.
• 살아있는 슬라임 몽크를 효율적인 교통 인프라 설계 및 모델링을 위한 생물학적 영감을 받은 도구로 활용할 수 있는지 탐색하기.
• 염소 오염과 같은 시뮬레이션 환경 스트레스 요인에 대한 원형망의 복원력과 적응 반응을 평가하기.

제안 방법

• 주요 독일 도시 중심지에 옥수수 파우더와 같은 영양원을 배치하여 실험 설정에서 도시를 대표하도록 하였다.
• *Physarum polycephalum* 의 플라스모디움을 베를린에 접종하고 24시간 동안 모든 영양원에 도달하도록 하였다.
• 24시간 후 원형망의 상태를 촬영하여 형성된 네트워크 구조를 캡처하였다.
• 슬라임 몽크 네트워크와 실제 고속도로 네트워크 양쪽에 그래프 이론적 분석을 적용하여 연결성, 평균 링크 길이, Randić 지수를 비교하였다.
• 해수소염 20 mg을 에름란드 원자력 발전소 위치에 배치하여 네트워크의 반응을 연구하기 위해 시뮬레이션 오염 실험을 실시하였다.
• 염소 오염에 대한 플라스모디움의 반응을 초과 활성화, 이동, 경로 재설정의 징후로 분석하였으며, 활동 증가가 여러 지역에서 관찰되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 *Physarum polycephalum* 가 형성한 원형망이 독일 고속도로 네트워크의 위상과 어느 정도 유사한가?
• RQ2 다양한 실험에서 가장 일관되게 재현되는 특정 고속도로 구간은 무엇인가?
• RQ3 실제 고속도로 네트워크와 슬라임 몽크 네트워크 간의 통합 그래프 특성(연결성, 평균 링크 길이, Randić 지수)은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 슬라임 몽크는 염소 오염과 같은 환경 스트레스 요인에 어떻게 반응하는가? 이는 네트워크의 복원력에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 *Physarum polycephalum* 의 사냥 행동은 효율적인 교통 네트워크의 자발적 형성에 생물학적으로 타당한 모델로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 실험실 실험의 40%에서, *Physarum polycephalum* 의 원형망이 약 60%의 고속도로 구간을 성공적으로 재현하였다.
• 헤이델베르크–브레멘, 하노버–비엘레펠트, 쾰른–도르트문트, 마인츠–카를스루에–뮌스터, 아우구스부르크–뮌헨 등의 교통 연결 구간이 90% 이상의 실험에서 재현되었다.
• 키엘–헤이델베르크–브레멘–하노버–비엘레펠트–뮌스터–도르트문트–쾰른–프랑크푸르트–마인츠–카를스루에–슈투트가르트–아우구스부르크–뮌헨의 체인과 그 분지인 하노버–브라운슈바이크 구간이 실험의 절반 이상에서 재현되었다.
• 프랑크푸르트–브라운슈바이크 및 프랑크푸르트–라이프체이크 연결 구간은 22회의 실험 전부에서 슬라임 몽크에 의해 재현되지 않았다.
• 염소 오염에 노출된 플라스모디움은 초과 활성화 및 이동 반응을 보였으며, 실레시그홀슈타인, 베를린, 투링기아–상프랑츠라인 경계 지역에서 활동 증가가 관찰되었고, 북서부 폴란드와 남동부 프랑스 쪽으로 대규모 이동이 발생하였다.
• 슬라임 몽크의 네트워크는 연결성, 평균 링크 길이, Randić 지수 등의 주요 지표에서 실제 고속도로 네트워크와 강한 위상 유사성을 보였으며, 이는 네트워크 형성에서 생물학적 최적성을 시사한다.