最佳鐵路網與單細胞生物－2010年搞笑諾貝爾運輸規劃獎

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在某個平行的宇宙中，有個城市叫做「三塊厝」，該地的人口恰如其名，分佈在三個大社區裡。三塊厝的市長想要蓋一座連接三個社區的捷運系統，在平行宇宙裡，沒有居民陳情、水土保持、鐵道東移、官商勾結及捷運共構宅等問題，只要規劃出幾何上的最佳的路線就好了。

於是交通局長大筆一揮，把三個聚落點對點用直線連起來，形成一個三角形(如下圖 黑線)。「這樣應最有效率吧，因為平面上兩點之間最短的距離是直線。」交通局長這麼建議「還可以在車箱上畫上烏龜，將本市捷運系統命名為『環狀親龜』，一定比那幾輛畫上鵜鶘的大公車『比爾鵜』還受歡迎。」

然而市府的財政局長說話了：「前市長把錢都花光啦，如果跨年還想放煙火的話，就沒辦法蓋那麼長的軌道。不如在三角形中取一個點接到A、B、C三個社區(如下圖 黃線)，這樣總路徑較短，還可以拿人字拖當形象商品賣錢。」(交通局長有點不以為然，他覺得三角環狀路線還可以賣三角褲和三角鐵哩！)

如果你是三塊厝的市長，你會採用哪一種路線呢？

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其實這兩條路線都有最佳化的結果，端看重視效率還是重視成本來定決策。環狀路線對應到「旅行銷售員問題（Travelling Salesman Problem」，要找出行經各點後回到原位置最快的方法；而人字路線則在尋求「史坦納樹問題(Steiner tree problem)」的解，即連接各點所需的最短路徑。不過，再考量到容錯能力了話，館主認為還是選擇環狀路線比較好。環狀路線中若有一條線斷了，另兩條線依然可連接三個點，人字路線就辦不到囉！至於市府的財政問題，嗯，少放些煙火才是上策。

如果說三個點的交通網路就可以腦補出這麼多劇情，不難想像真實世界裡要設計一個交通網路有多麼地困難，必需連接多達數十個的車站，還要考量地形地貌等因素的影響。現代人面對這種「最佳化路徑」的命題，直覺反應就是丟給電腦去解算，但館主的電腦程度只能拿來瀏覽網際網路，不足以設計交通網路，該怎麼辦呢？不如，向單細胞生物求助吧！


黏菌(slime mold)是一種介於植物與真菌之間的原生生物，個別來看，黏菌像是單細胞的變形蟲，不過他們通常是群聚在一起，形成一團多細胞的原生質。黏菌本是生活在林間以腐植或其他微生物為食；但在實驗室培養皿中的黏菌，最愛的食物似乎是燕麥片。黏菌團在覓食時會向四面八方蔓延而出，完成區域探所並找到食物後，蔓出的黏菌會收斂成管狀結構，形成連接各食物源的脈絡。

日本北海道大學電子科學系的中垣俊之教授帶領的研究團隊，以絨泡黏菌(Physarum)為主角，做了一連串有趣的實驗。2000年時，他們將黏菌培養於一個塑膠迷宮中，並於兩個端點上放了黏菌喜歡的食物，迷宮中共有四條長短不同的路線可以連接兩個食物源。他們發現蔓延整個迷宮的黏菌團偵測到兩個食物源後，繞遠路和走入死巷的黏菌「觸手」會慢慢地縮回主體，結果大部份的黏菌會聚集於最短那條路線上。2004年，他們在自由平面上放置三至七個食物源讓黏菌覓食，最終黏菌連接各點所形成的脈絡，幾乎就是「旅行銷售員問題」或「史坦納樹問題(Steiner tree problem)」所要找尋的最佳化路徑。

有了這些實驗為基礎，研究團隊異想天開地要用黏菌來模擬日本東京地區的鐵路網。他們依東京週邊海岸線的輪廓打造一個盤子，用以限定黏菌活動範圍，再將一大團燕麥片及黏菌團放在東京的位置，附近擺了另外35個食物源，可以對應到東京鐵路網中的35個車站。真實鐵路網可能會受到山丘、湖泊等地形阻障，則利用黏菌的避光性，以局部光照來模擬之。架設完畢，讓黏菌自然發展，約莫過了26個小時，就形成了一個與東京地區鐵路網高度相似的脈絡。此實驗結果發表於2010年1月份的Science期刊上，也因「利用黏菌來確定最佳的鐵路線路」為由，讓他們獲得了該年度的「搞笑諾貝爾-運輸規劃獎」。

在這篇學術文章中有寫到，黏菌在擴張覓食網脈的過程中，會依環境變化不斷地權衡該網脈的成本、效率及應變能力，持續自我優化，以建構出最佳的路徑。單細胞生物的群體，可能依照幾條簡單的行為規則，再不斷地交互運作，就發展出如此複雜而精密的路徑系統！所以，別再用「單細胞生物」來罵人啦，我們真的有比較聰明嗎