[论文解读] Slime Mould Inspired Generalised Voronoi Diagrams with Repulsive Fields

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

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一种受黏菌 Physarum polycephalum 启发的新型计算模型，通过同时使用吸引和排斥刺激生成广义 Voronoi 图。通过模拟原生质体向吸引源生长并避开排斥源的行为，该模型近似实现了点源、复杂形状和圆形集合的 Voronoi 图，表明排斥场可在最小化内部网络连通性的同时维持空间划分。

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.

研究动机与目标

• 探究排斥场如何影响非传统计算系统中 Voronoi 图的形成。
• 研究 Physarum polycephalum 的行为是否可抽象为一种计算模型，以推广 Voronoi 图的构建。
• 在各种几何构型下，通过结合吸引与排斥刺激，展示 Voronoi 图的近似生成。
• 分析排斥物浓度如何影响网络连通性，同时保持空间划分的完整性。
• 通过引入排斥刺激作为计算原语，拓展非传统计算的工具集。

提出的方法

• 将 Physarum 建模为一种分布式虚拟计算材料，通过源节点发出的波前实现信息的均匀传播。
• 使用类似反应-扩散机制，模拟原生质体向吸引源生长并避开排斥源的行为。
• 将 Voronoi 平分线表示为原生质波前相遇的区域，或在融合前形成的空置区域。
• 采用计算框架，模拟原 protoplasmic 管道在双重刺激作用下的收缩与扩张动力学。
• 将该模型应用于生成点集、复杂平面形状和圆形集合的 Voronoi 图。
• 改变排斥物浓度，以研究其对网络连通性和空间划分的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于黏菌启发的模型能否通过同时使用吸引剂和排斥剂来近似生成广义 Voronoi 图？
• RQ2 排斥场的引入如何影响所得输运网络的拓扑结构与连通性？
• RQ3 排斥物浓度与 Voronoi 图中空间划分保持之间的关系是什么？
• RQ4 该模型能否为非点源（如复杂形状和圆形）生成准确的 Voronoi 图？
• RQ5 吸引与排斥刺激的共同作用如何影响稳定 Voronoi 结构的出现？

主要发现

• 该模型成功利用吸引与排斥的结合，近似生成了点数据源、复杂平面形状和圆形集合的 Voronoi 图。
• 排斥场在保持生成点之间空间划分的同时，通过收缩力最小化了内部网络连通性。
• 该系统通过两种不同机制（波前碰撞与空置区域形成）展示了生成 Voronoi 平分线的鲁棒性。
• 通过调节排斥物浓度，可在不破坏整体空间划分的前提下控制网络连通性。
• 引入排斥刺激增强了非传统计算系统的计算能力，为平面划分与最小化问题提供了新方法。
• 该模型证实，黏菌的自然行为可被抽象为一种通用的计算框架，用于空间计算。