[논문 리뷰] Slime Mould Inspired Generalised Voronoi Diagrams with Repulsive Fields

Jeff Jones, Andrew Adamatzky|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 24.

Slime Mold and Myxomycetes Research참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다핵박균(Physarum polycephalum)의 영감을 받은 새로운 계산 모델을 제안하며, 당류 자극과 기피 자극을 동시에 사용하여 일반화된 베르아노이 다이어그램을 생성한다. 기피 물질을 피하고 유인 물질 쪽으로 플라스모디움이 성장하는 것을 시뮬레이션함으로써, 점원소, 복잡한 형태, 원형 집합에 대해 베르아노이 다이어그램을 근사화하며, 기피 필드가 내부 네트워크 연결성을 최소화하면서도 공간 분할을 유지함을 보여준다.

ABSTRACT

The giant single-celled amoeboid organism Physarum polycephalum constructs minimising transport networks but can also approximate the Voronoi diagram using two different mechanisms. In the first method Voronoi bisectors are rep- resented by deformation of a pre-existing plasmodial network by repellent sources acting as generating points. In the second method generating points act as inoculation sites for grow- ing plasmodia and Voronoi bisectors are represented by vacant regions before the plasmodia fuse. To explore the behaviour of minimising networks in the presence of repulsion fields we utilise a computational model of Physarum as a distributed virtual computing material. We characterise the different types of computational behaviours elicited by attraction and repulsion stimuli and demonstrate the approximation Voronoi diagrams using growth towards attractants, avoidance of repellents, and combinations of both. Approximation of Voronoi diagrams for point data sources, complex planar shapes and circle sets is demonstrated. By altering repellent con- centration we found that partition of data sources was maintained but the internal network connectivity was minimised by the contractile force of the transport network. To conclude, we find that the repertoire of unconventional computation methods is enhanced by the addition of stimuli presented by repellent fields, suggesting novel approaches to plane-division, packing, and minimisation problems.

연구 동기 및 목표

• 비정통 계산 시스템에서 기피 필드가 베르아노이 다이어그램 형성에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 다핵박균의 행동이 일반화된 베르아노이 다이어그램 생성을 위한 계산 모델로 추상화될 수 있는지 조사하는 것.
• 다양한 기하 구조에서 유인과 기피 자극을 결합하여 베르아노이 다이어그램을 근사화하는 것.
• 기피 물질 농도가 네트워크 연결성에 미치는 영향과 함께 공간 분할 유지 여부를 분석하는 것.
• 기피 자극을 계산 원리로 통합함으로써 비정통 계산의 도구를 확장하는 것.

제안 방법

• 원천 노드에서 발생하는 전파를 통해 정보가 균일하게 전파되는 분산 가상 계산 물질로 다핵박균을 모델링하는 것.
• 반응-확산 유사 메커니즘을 사용하여 플라스모디움 성장이 유인원소 쪽으로 향하고 기피원소를 피하는 것을 시뮬레이션하는 것.
• 플라스모디움 전파가 만날 영역 또는 융합 전에 형성되는 빈 영역을 베르아노이 이분선으로 표현하는 것.
• 이중 자극 하에서 원형관의 수축 및 팽창 역학을 시뮬레이션하기 위한 계산 프레임워크를 사용하는 것.
• 점 집합, 복잡한 평면 형태, 원형 집합에 대해 베르아노이 다이어그램을 생성하기 위해 모델을 적용하는 것.
• 기피 농도를 변화시켜 네트워크 연결성과 공간 분할에 미치는 영향을 연구하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다핵박균을 모델로 삼은 시스템이 유인과 기피 자극을 동시에 사용하여 일반화된 베르아노이 다이어그램을 근사화할 수 있는가?
• RQ2 기피 필드의 포함 여부가 결과로 나오는 운반 네트워크의 위상과 연결성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기피 농도와 베르아노이 다이어그램에서 공간 분할 유지 간의 관계는 어떠한가?
• RQ4 모델이 복잡한 형태나 원형과 같은 비점원소에 대해 정확한 베르아노이 다이어그램을 생성할 수 있는가?
• RQ5 유인과 기피 자극의 병합이 안정적인 베르아노이 구조의 형성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 점원소, 복잡한 평면 형태, 원형 집합에 대해 유인과 기피를 결합하여 베르아노이 다이어그램을 성공적으로 근사화하였다.
• 기피 필드는 생성점 간의 공간 분할을 유지하면서 수축력에 의해 내부 네트워크 연결성을 최소화한다.
• 시스템은 전파 충돌과 빈 영역 형성이라는 두 가지 별개의 메커니즘을 통해 베르아노이 이분선을 강건하게 생성함을 보였다.
• 기피 농도를 변화시킴으로써 전체 공간 분할에는 영향을 주지 않고 네트워크 연결성을 제어할 수 있었다.
• 기피 자극의 추가는 비정통 시스템의 계산 능력을 향상시켜 평면 분할 및 최소화 문제에 대한 새로운 접근법을 가능하게 하였다.
• 모델은 다핵박균의 자연적 행동이 공간 계산을 위한 일반 목적의 계산 프레임워크로 추상화될 수 있음을 확인하였다.