The arboreal turtle ant creates trail networks linking nests and food sources on the graph formed by branches and vines in the canopy of the tropical forest. Ants lay a volatile pheromone on edges as they traverse them. At each vertex, the next edge to traverse is chosen using a decision rule based on the current pheromone level. There is a bidirectional flow of ants around the network. In a field study, Chandrasekhar et al. (2021) observed that trail networks approximately minimize the number of vertices, solving a variant of the popular shortest path problem without any central control and with minimal computational resources. We propose a biologically plausible model, based on a variant of reinforced random walk on a graph, that explains this observation, and suggests surprising algorithms for the shortest path problem and its variants. Through simulations and analysis, we show that when the rate of flow of ants does not change, the dynamics of our model converges to the path with the minimum number of vertices, explaining the field observations. The dynamics converges to the shortest path when the rate of flow increases with time, showing that an ant colony can solve the shortest path problem just by varying the flow rate. We also show that to guarantee convergence to the shortest path, bidirectional flow and a decision rule dividing the flow in proportion to the pheromone level are necessary, but convergence to approximately short paths is possible with other decision rules.


翻译:arboreal海龟蚂蚁在热带森林树冠的树枝和藤根所形成的图表上建立了连接巢穴和食物源的跟踪网络。 蚂蚁们在沿它们穿行时在边缘放置了一种挥发性的花激素。 在每一个顶端, 选择下一个横行的边缘是使用基于当前phelomone 水平的决定规则。 在网络周围存在蚂蚁的双向流动。 在一项实地研究中, Chandrasekhar等人( 2021年) 观察到, 跟踪网络大致将脊椎的数量减少到最低, 解决流行最短路径问题的变种, 没有中央控制, 并且使用最小的计算资源。 我们提出一种生物上可行的模型, 以一个强化的随机行走方式的变种为基础, 解释这一观察结果, 并提出了关于最短路径及其变异种的算法。 我们通过模拟和分析, 显示当蚂蚁流动的速度没有变化时, 我们模型的动态会与路径汇合到最短路径, 解释实地观测结果。 动态会归到最短路径, 当我们的决定流速度显示一个最短路径的流速度会显示一个最短路径的路径, 的流速度会显示一个最短路径速度, 我们的路径会显示一个最短的路径会以比, 的路径会显示一个最短的路径会显示一个最接近速度, 直向一个比。

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