الذكاء السربي؛ من وحي الطبيعة إلى علوم الحاسوب!

أذهلت الحشرات التي تعيش ضمن مستعمرات علماء الحشرات والشعراء على مدى سنوات، يا ترى من الذي يتحكم في السرب؟ من الذي يعطي الأوامر؟ ويتنبأ بالمستقبل؟ من الذي يخطط ويحفظ توازن السرب ككل؟

كلُّ هذه الأسئلة هي أحجياتٌ بحدِّ ذاتها. كل نملة ضمن مستعمرةِ الحشراتِ الاجتماعية تبدو وكأنها تَتْبع أجندةً خاصة بها، لكن على الرغم من هذا تظهر المستعمرة منسّقة بشكل جيد، ولا يبدو أن التكامل السلس ما بين نشاطات الأفراد يحتاج إلى مشرف.

الذكاء الجَماعي:

وُجد الذكاء الجماعي منذ القدم، منذ ظهور الإنسان على وجه الأرض، انطلاقًا من القبائل البدائية التي تعيش على الصيد وجمع الثمار حتى مجتمعاتنا الحديثة، الكل يعمل بشكل جماعي مع وجود درجات متنوعة من الذكاء.

لوحظ الذكاءُ الجَماعي أول مرة داخل الحشرات الاجتماعية كالنمل والنحل والدبابير والنمل الأبيض أو شبه الاجتماعية كالصراصير أو الحيوانات كقرود البابون. حتى أنه وضمن بعض وجهات النظر تُعدُّ تجمعات البكتيريا وحدة ذكية جماعيًا أيضا.

بحسب أريسطو، الإنسان كالنحل أوالنمل أو النمل الأبيض هو مخلوق سياسيٌّ بطبعه، لا يعتمد ذكاؤه على قدراتِه الفردية فحسب، بل على المجتمع الذي يعيش فيه. بعبارة أخرى، إدراكُنا وفهمُنا لما حولنا ليس نتيجةً التفاعلات التي تجري داخل أدمغتنا أو ما يجول في خاطرنا، بل نتيجة المجتمع الذي نعيش بداخله.

اليوم ومع تقدم تكنولوجيا الإتصالات، تأخذ هذه الظاهرة أشكالًا جديدة؛ أصبح بإمكاننا العملُ جماعيًا بطرق عديدة وأكثر فاعلية لم تكن ممكنة في الماضي، من أبرزها وأهمها الشبكة العنكبوتية.

يمكن تعريف الذكاء الجماعي على أنه: "مجموعة من الأفراد الذين ينجزون عملًا بشكل جماعي معطيًا انطباعًا أنه سلوك ذكي"

مبدأ الذكاء الجماعي:

تعتمد فكرة الذكاء الجماعي على مبدأ بسيط وهو تظافر جهود العديد من الوحدات لإنتاج ذكاء أعلى مستوى وفق عملية تحول طبيعية تعرف بالانبثاق (Emergence)، سواء مجموعة من المختصِّين الذين يعملون على حلِّ مسألة معينة بشكل جماعي أو مجتمع من الحشرات، يمكن اتخاذُ كلتا الحالتين مصدر إلهام لبناء نظامٍ حوسبي بذكاء ذي مستوًى عالٍ ناتجٍ عن تفاعل كل هذه الوحدات مع بعضها.

الفرق أنه في الحالة الأولى، إذا اعتمدناها كمصدر إيحاء، فينبغي أن تمتلكَ كلُّ وحدة مستوى ذكاءٍ عالٍ نسبًيا، ويكون التواصل بينها مباشرًا عن طريق تبادل رسائل، إضافة إلى أن كل وحدة تمتلك تصورًا واضحًا عن المشكلة المراد حلها والقدرة على البرهنة.

أما في الحالة الثانية، يكون المصدرُ ذا تصنيفٍ بيولوجي؛ فكلُّ فرد يمتلكُ قدراتٍ محدودًة على البرهنة وتصورًا ضيقًا عن المشكلة، لذا يتم التواصل فيما بينهم بشكل غير مباشر عن طريق المحيط الذي يكونون فيه من خلال ترك علامات عليه.

فيما نلاحظ غيابًا تامًا لعنصر المحيط في الحالة الأولى فإنه يلعب دورًا مهمًا ومحوريًا للتواصل في الحالة الثانية.

أمثلة على تطبيقات الذكاء الجماعي:

منظمات الأعمال:

InnoCentive

Innocentive هي سوق معلومات أُسست عام 2001. تجمعُ مشاكلَ في البحث والتطوير في مجالات الكيمياء والبيولوجيا لمختلف الشركات، وتسمح للمشتركين بالمساهمة بحلولهم، وبعد أجلٍ محدد، تختار هذه الشركات الإجابةَ الأفضل وتقدم جوائز مالية للفائزين.

NineSigma

مثال آخر يدعم فكرة الاستعانة بالحشد لتشكيل المحتوى. تلعب هذه المواقعُ دورَ الوسيط بين المواقع التي تعاني تقصًا في الأفكار الإبداعية ومستخدمي الشبكة الذي يقدمون الحلول.

Sermo

هو مجتمع من الأطباء والأخصائيين، هدفه تطوير مجال الطب من خلال تبادل مختلف الخبرات والآراء بين الأطباء عبر هذا الموقع.

LiveOps

هي شركة في مدينة كاليفورنيا، مختصة في الاتصالات عن بعد.

علوم الحاسوب والذكاء الصنعي:

ClickWorkers:

هومشروعٌ تابع لناسا، حيث يعمل عشرات الآلاف من المتطوعين على اكتشاف الفوهات البركانية على سطح المريخ.

تكنولوجيا النظير-للنظير (Peer-to-peer)

IRC:

مشروعٌ اُبتكر في عام 1988 من طرف "Jaarko Oikarinen"، يطبقُ طريقةً موزعة (distributed) للتواصل الجماعي الفوري عن طريق تبادل رسائل مصنفة ضمن قنوات (channels)، حيث لكل موضوع يتم إنشاء قناة جديدة فورية.

الذكاء السربي (Swarm Intelligence):

تعريف: يقصد بالسرب هنا (swarm) مستعمرة كبيرة من الحشرات الطائرة أو السائرة.

تمتلك أسراب الحشرات خصائصَ مذهلة؛ فهي قادرة دائمًا على إيجاد الحلول لأكثر المشاكل تعقيدًا، كإيجاد شكل المستعمرة مثلًا، على الرغم من أنه لا أحد يملك المهارات اللازمة لإنشاءها [22،23]. هنا يتبعُ كلُّ فرد مجموعةً من القواعد البسيطة ولا أحد يتحكم في السرب ككلٍّ مما يجعله صامدًا. وبسبب هذه الخصائص، تعدُّ أسرابُ الحشرات مرجعًا مهمًا في بناء نماذج رياضية لإيجاد الحلول لبعض المشاكل الموجودة في علوم الحاسب. وقد استطاع علماء الحاسوب بالتعاون مع مهندسين من تحويل نماذج من السلوك الجماعي في مجتمعات الحشرات إلى خوارزميات لإيجاد أفضل حل بين مجموعة من الحلول.

ابتكر مصطلح الذكاء السربي (Swarm Intelligence) من قِبل جيراردو بيني (Gerardo Beni) في عام 1989 أثناء مؤتمر ألقاه في اليابان عن مجتمع الروبوتات. يقول التعريف:

الذكاء السربي هو خاصية تميزُ أنظمةً تتكونُ من روبوتات بقدرات إدراكية وذهنية محدودة (غير ذكية) مبرزةً معًا - بشكل «غير- مُتوقع»- سلوكياتٍ ذكية من خلال تشكيل نمط منسق من المادة.

يقصد بالروبوت في هذا التعريف، أيُّ وحدة قادرة على تقديم عمل ميكانيكي أو حوسبي. والكلمة المفتاحية في هذا التعريف هي «غير متوقع»، إذ عندما نعجز عن التنبؤ بنتيجة نظام فنحن نتحدث عن سلوك ذكي.

في عام 1990، اقترح كل من بونابو (Bonabeau) ودوريغو (Dorigo) وتيرولاز (Theraulaz) تعريفًا أكثر شمولية للتعبير عن مفهوم الذكاء السربي:

"أي محاولة لتصميم خوارزميات أو بناء أجهزة لحل المشاكل الموزعة (Distributed Problem Solving)، مستوحاة من السلوك الجماعي لمستعمرات الحشرات و غيرها من المجتمعات الحيوانية."

في عام 2004، أشار أغاسونون (Agassounon) ومارتينولي (Martinoli) وإيستون (Easton) أن الذكاء السربي يستلهم خصائصه من:

"الأمثلة البيولوجية المتمثلة في مجتمعات الحشرات كالـ نمل والنمل الأبيض والنحل والدبابير ومن تجمعات الأسماك وأسراب الطيور وقطعان الحيوانات الفقارية."

إذًا، يمكننا تلخيص كل هذا كالآتي:

الذكاء السربي يتمثلُ في دراسةِ وبناء مجتمعاتٍ مكوّنةٍ من وحدات صنعيَّة بسيطة بإمكانها إنتاج عملٍ معقد (الصورة في الأسفل). داخل هذه المجتمعات، كلُّ فرد لديه تصورٌ محدود عن النظام الذي هو داخله، إلا أنه يتصرف بحرية، أي دون تلقي الأوامر من أحد، لهذا تتميز هذه الأنظمة بتحكمٍ لا مركزي؛ كل فرد يتبع قواعد بسيطة، لا أحد يقرر أو ينسق أعمال الأفراد الآخرين.

النظام السربي ببساطة

الذكاء السربي في الطبيعة:

ينقسم الذكاء السربي في الطبيعة إلى صنفين: «الأنواع» (species)، والتي من خلالها يشكّلُ الأفراد تجمعاتٍ للوصول إلى هدف محدد فقط، و«الحشرات الاجتماعية» التي تعيش ضمن مجتمعات ويستحيل عليها العيش بمفردها.

•على سبيل المثال، يقوم النمل قاطع الورق بقطع الأوراق من النباتات والأشجار والتي يستعملها كأساس في إنتاج غذائه، حيث يقوم بالبحث عن الغذاء على بُعد مئاتِ الأمتار عن العش، مشكلًا ما يشبه الطريقَ السريع بين العش ومصدر الغذاء.

•يستعمل النمل الناري (Fire ants) جسمَه الصغير في بناء جسور لعبور الفراغات وتلصق النملات أجسادها ببعضها البعض لبناء العش.[6]

في تجربة قام بها العلماء، على سرب من النمل أن يختارَ من بين طريقين للوصول إلى مصدر الغذاء، الطريق الأول قصير والثاني طويل، استطاع النمل بعد فترة من الزمن اكتشاف الطريق الأقصر المؤدية إلى مصدر الغذاء.

رسم توضيحي للتجربة؛ (a) بعد مرور 4 دقائق من وضع الجسر. (b) بعد مرور 8 دقائق من وضع الجسر استطاع النمل معرفة الطريق الأقصر.

اكتشف العالم الفرنسي بول بيير غراسي (Pierre-Paul Grassé) أنه لتشكيل عشِّه، يبدأ النملُ الأبيض بوضع كراتٍ صغيرة من الطين بشكل عشوائي مع احتمالية أكبر لوضعها قرب كراتٍ موجودة مسبقًا وبدون تنسيق بينها، غير أنه عندما تصل هذه الكرات المجمعة إلى حجم معين فإنها تشكل محفزًا لباقي النملات لوضع المزيد من كرات الطين مؤدية إلى زيادة حجم العش أكثر وأكثر. استعمل غراسي مصطلح الستيغمارجية (Stigmergy) لتوصيف هذا النوع من التواصل اللامباشر، حيث يعتمد تنسيق المهام وتنظيم عملية البناء على البناء نفسه وليس على العاملات. ما يميز هذا النوع من التواصل عن الأنواع الأخرى هو:

- أنه لا مباشر، عن طريق تغيير المحيط، يمكننا استعمال مصطلح «التواصل الاجتماعي اللامباشر» لوصف هذا النوع من التواصل.

- المعلومة الستيغمارجية تكون ذات مدى موضعي، فقط الحشرات الموجودة ضمن مجالها يستطيعون الوصول إليها.

كمثال آخر، يسافر النحل مسافاتٍ طويلة للبحث عن الغذاء ضمن مساحات واسعة، عندما تعثر نحلة ما على مصدر للغذاء ترجع إلى الخلية لتخبر باقي العاملات عن المكان وما تلبث أن تطير نحلات أخريات إلى مصدر الغذاء. كما تظهر تجمعات الأسماك وأسراب الطيور ترتيبا بنيويًا جليًا، بسلوك مركب يظهرها ككتلة واحدة متماسكة تتحرك بانسيابية.

تتلخص أهم مبادئ السلوك الجماعي في أسراب الطيور فيما يلي:

التجانس (Homogeneity): يتبع كل طائر في السرب النموذجَ السلوكي عينَه، ولا يوجد قائدٌ للسرب.

الموضعية (Locality): تتأثر حركة كل طائر في السرب بالطيور المجاورة له فقط، وتعتبر الرؤية الحاسة الأكثر أهمية لتنظيم السرب.

تجنب التصادم (Collision Avoidance): تجنب التصادم مع الطير المجاور.

مطابقة التسارع (Velocity Matching): تعني موازاة التسارع مع تسارع الطيور المجاورة في السرب.

التركيز على السرب (Flock Centering): على كل طائر البقاء أقرب ما يكون للطيور المجاورة له.

خصائص أنظمة الذكاء السربي:

بالاعتماد على الأمثلة التي ذكرناها، يمكن استخلاص الخصائص التالية:

تحكم لا مركزي (غياب المشرف): لا توجد وحدة مركزية تملي على السرب ما ينبغي عليه القيام به.

المرونة (Flexibility): النظام السربي نظام ديناميكي، يتغير وينظم نفسه ذاتيا وفق الظروف المحيطة ويتأقلم مع تغيراتها.

التواصل مع أفراد السرب والذي يتم بشكل موضعي.

السلوك المنبثق (Emergent behavior): الذي ينتج عن السلوكيات الفردية لكل فرد.

الصمود (Robustness): تنجز المهمة حتى وان فشل أحد الأفراد (أو أكثر).

يتكون من أفراد بسيطة؛ عملية اتخاذ القرارات لا تعتمد على آليات برهنة معقدة، كل فرد يمتلك كمية محدودة من المعلومات عن النظام وعن طريقة حل المشاكل المختلفة.

الثبات (Stability): والتي تعتبر أهم خاصية، حيث بدونها لا يمكن للسرب أن يصل لأي هدف. تتمثل في تماسك السرب أثناء الحركة.

التنظيم الذاتي (Self-Organisation):

اعتقد العلماء في السابق أن التعقيداتِ الموجودةَ في الأنماط المشكّلة بواسطة السرب ناتجة عن تعقيدات سلوكية وإدراكية على مستوى الأفراد. لكن ومع اعتماد نظرية التنظيم الذاتي المستعملة في علوم الفيزياء والكيمياء، تغير المنظورُ وأصبح في الإمكان القولُ أن النمطَ العام يتشكل من تفاعل أفرادٍ بقدرات بسيطة. وخلال السنوات الأخيرة أصبح هذا المصطلح يستعمل في كثير من المجالات بدءأ من علوم الحاسوب إلى الرياضيات والبيولوجيا وحتى علم النفس.

يرجع تاريخ المصطلح لعام 1947 ويمكن تعريفه كالآتي:

“هو مجموعة من الآليات الحركية والتي من خلالها تظهر نتائج على المستوى الكلي للنظام انطلاقًا من تفاعلات بين مكونات هذا النظام. بحيث تكون خصائص هذه النتائج متعلقة بالنظام ككل ولا يمكن ملاحظتها على المستوى الفردي”.

مقومات التنظيم الذاتي:

لفهم كيفية تفاعل مكونات النظام فيما بينها لإعطاء نتيجة أكثر تعقيدًا، دعونا نوضح أربعة عناصر رئيسية في التنظيم الذاتي:

تغذية رجعية إيجابية (Positive Feedback): كنوع من القوى المتحكمة في تغيير وضع النظام تغييرًا باتجاه واحد، تمثل هذه الآلية مجموعة من السلوكيات الفردية البسيطة المكررة قصد إعطاء نتائج ظاهرة للعيان. مثلًا يُعدُّ الجذب إلى مصدر غداء تغذية استرجاعية إيجابية والذي يعتمد على إفراز وترك آثار تتمثل في الفيرومونات وتتبعها عند بعض الأنواع من النمل والرقص عند النحل.

تغذية رجعية سلبية (Negative Feedback): التي تلعب دور القوة الموازنة فهي توازن التغذية الاسترجاعية الإيجابية، في مثال النملات الباحثات عن الغذاء. عندما يستهلك كل الغذاء الموجود في الموقع الجديد، تحدث حلقة من التغذية الاسترجاعية السلبية، عندما ينقص مصدر الغذاء يقل تركيز الفيرومونات على الطريق على طول الطريق المؤدية إليه وبالتالي يقل عدد النملات التي تتبع أثره إلى أن ينعدم.

مضاعفة التقلبات (Amplification of fluctuations): تحدث العشوائية التي تعتبر خاصية أساسية في مثل هذه الأنظمة تقلبات تخضع لعمليات التغذية الاسترجاعية. مثلا الاستكشاف العشوائي.

التفاعلات المتعددة (Multiple interactions): على أفراد السرب أن يكونوا قادرين على استغلال نتائج أعمالهم بالإضافة لنتائج أعمال غيرهم.

تطبيقات الذكاء السربي:

من أهم وأبرز تطبيقات الذكاء السربي هو الروبوتية السربية (Swarm robotics) فما هي الروبوتية السربية؟

الروبوتية السربية هي تطبيق مبادئ الذكاء السربي على علم الروبوتية. تعتمد الروبوتية السربية على تعاون مجموعة كبيرة من الروبوتات الصغيرة الحجم والبسيطة على إنجاز مهام لا يستطيع الروبوت الواحد القيام بها بمفرده.

يعدُّ هذا المجال البحثي حديثًا نسبيًا حيث بدأ في أوائل الثمانينات. الخصائص التي تميزه مستمدة من الذكاء السربي، بالأخص المرونة العالية، والقدرة على الصمود والتكيف مع التغيرات بعكس الروبوتات التقليدية لإضافة إلى قابلية زيادة حجم النظام. وقد تم تحسين المرونة باستعمال روبوتات أبسط وأصغر حجمًا، مما يسمح أيضًا بخفض تكاليف تصنيع الروبوتات.

أما الصمود والتكيف فهما يأتيان من استعمال وحدات روبوتية كثيرة قابلة للاستبدال ودون وجود وحدة مسيطرة.

في المقال القادم سنتعرف إلى الروبوتية السربية بشكل أعمق وسنستعرض أهم ميزاتها وفوائدها في عدة مجالات فانتظرونا!

--------------------

فهرس المصطلحات:

الستيغمارجية (stigmergy):هي شكل من أشكال التواصل اللامباشر بين الحشرات، اخترعت هذه التسمية من قِبل عالم الحشرات بول بيير غراسي (Pierre-Paul Grassé) في عام 1950 وهي مركبة من الكلمة الإغريقية stigma، والتي تعني إشارة أو أثـر، و ergon التي تعني عمل.

--------------------

المراجع:

[1] هنا

[2] هنا

[3] هنا

[4] هنا

[5] Toward a Practice of Autonomous Systems : Proceedings of the First European Conference

on Artificial Life، December 11-13، 1991، Paris، France (Complex Adaptive Systems) by F.J

Varela (Paperback - 2 Jun 1992)