Spreeuwen murmureren als het daglicht verdwijnt boven hun slaapplaatsen. Shutterstock / Albert Beukhof
Het woord zwerm heeft vaak een negatieve bijklank – denk aan de bijbelse sprinkhanenplagen of straten vol last-minute shoppers tijdens de kerstdrukte. Toch is zwermen essentieel voor het voortbestaan van veel groepen dieren. En nu heeft onderzoek naar zwermen de potentie om dingen ook voor mensen te veranderen.
Bijen zwermen om hun zoektocht naar nieuwe kolonies effectiever te maken. Zwermen spreeuwen gebruiken duizelingwekkende murmuraties om roofdieren te ontwijken en te verwarren. Dit zijn slechts twee voorbeelden uit de natuur, maar zwermen zie je in bijna elke uithoek van het dierenrijk.
Onderzoek van wiskundigen, biologen en sociale wetenschappers helpt ons om zwermen te begrijpen en de kracht ervan te benutten. Het wordt al gebruikt voor crowd control, verkeersmanagement en om de verspreiding van besmettelijke ziekten te begrijpen. Meer recentelijk begint het vorm te geven aan de manier waarop we gegevens in de gezondheidszorg gebruiken, drones inzetten in militaire conflicten en is het gebruikt om bijna onoverkomelijke gokkansen in sportevenementen te verslaan.
Een zwerm is een systeem dat groter is dan de som der delen. Net zoals vele neuronen een brein vormen dat in staat is om te denken, te onthouden en te emotioneren, kunnen groepen dieren samenwerken om een “superbrein” te vormen, dat zeer complex gedrag vertoont dat individuele dieren niet vertonen.
Kunstmatig leven expert Craig Reynolds revolutioneerde de studie van zwermen in 1986 met de publicatie van de computersimulatie Boids model. Het Boids-model splitst zwermen op in een eenvoudige reeks regels.
De Boids (vogel-oïden) in de simulatie, zoals avatars of karakters in een videospel, krijgen de opdracht om in dezelfde richting te bewegen als hun buren, naar de gemiddelde positie van hun buren te bewegen en botsingen met andere Boids te vermijden.
Boidsimulaties zijn opvallend nauwkeurig in vergelijking met echte zwermen.
Het Boids model suggereert dat zwermen geen leiders nodig hebben om gedrag te coördineren – zoals voetgangers in een stadscentrum in plaats van een rondleiding door een museum. Het complexe gedrag dat we zien in zwermen ontstaat door interacties tussen individuen die parallel dezelfde eenvoudige regels volgen. In de taal van de natuurkunde staat dit fenomeen bekend als emergentie.
De korfgeest
In 2016 gebruikte het Amerikaanse technologiebedrijf Unanimous AI de kracht van zwermintelligentie om de Kentucky Derby “superfecta” weddenschap te winnen, door met succes de eerste, tweede, derde en vierde geplaatste ruiters in de beroemde Amerikaanse paardenrace te voorspellen.
Experts uit de industrie en conventionele machine learning algoritmen deden een groot aantal foutieve voorspellingen. Maar de amateur-raceliefhebbers die door Unanimous AI werden gerekruteerd, bundelden hun kennis om de kansen van 541/1 te verslaan.
Hoopvolle gokkers zetten elk jaar miljoenen dollars in op de Kentucky Derby.
Shutterstock / Cheryl Ann Quigley
Het succes van de vrijwilligers lag in de manier waarop hun voorspellingen tot stand kwamen. In plaats van te stemmen op renners en hun keuzes samen te voegen, gebruikten de vrijwilligers het zwermplatform van Unanimous AI om deel te nemen aan een real-time digitaal touwtrekgevecht, geïnspireerd op zwermen vogels en bijen.
Alle vrijwilligers trokken tegelijkertijd aan een draaischijf in de richting van hun respectievelijke keuzes. Hierdoor konden mensen hun voorkeuren veranderen als reactie op de acties van anderen (iemand kon bijvoorbeeld zijn tweede keuze, B, in plaats van zijn eerste keuze, C, trekken als hij zag dat A en B de duidelijke favorieten waren).
Door in realtime op elkaar te reageren, konden de vrijwilligers van Unanimous AI collectief beter presteren dan goed geïnformeerde individuen.
Sterker nog, als de meest frequente individuele keuzes van de vrijwilligers de volgorde hadden bepaald, zou alleen de winnaar van 2016 en favoriet van de bookmakers, Nyquist, correct zijn geplaatst.
Gezondheidszorgen
Vergelijkbare zwermtechnologieën zijn ook van toenemend belang in de gezondheidszorg, waar gepraat wordt over een AI-revolutie die leidt tot toenemende zorgen over de privacy van patiënten.
Naarmate er meer gebruik wordt gemaakt van datagestuurde technieken in de gezondheidszorg, neemt ook de vraag naar uitgebreide patiëntendatasets toe. Een manier om aan deze vraag te voldoen, is het bundelen van informatie tussen instellingen en in sommige gevallen landen.
De overdracht van patiëntgegevens is echter vaak onderworpen aan strenge regelgeving op het gebied van gegevensbescherming. Een oplossing voor dit probleem is om alleen interne gegevens te gebruiken, hoewel dit vaak ten koste gaat van de diagnostische nauwkeurigheid.
Een alternatief ligt in zwermen. Onderzoekers geloven dat zwermintelligentie de diagnostische nauwkeurigheid kan behouden zonder de noodzaak van uitwisseling van ruwe gegevens tussen instellingen.
Voorstudies hebben aangetoond dat het decentraliseren van gegevensopslag in een netwerk van op elkaar inwerkende knooppunten instellingen het voordeel kan geven van gedeelde wijsheid. Dit betekent dat er geen centrale hub is die de informatiestroom coördineert en dat instellingen geen toegang hebben tot elkaars privé-patiëntgegevens.
Gecentraliseerd machinaal leren maakt gebruik van gegevens die worden geüpload naar een gedeelde hub waar machinaal leren plaatsvindt met behulp van alle beschikbare gegevens. In gedecentraliseerde systemen slaat elke instelling afzonderlijk haar gegevens op in een eigen knooppunt. Het machinaal leren gebeurt lokaal op elk knooppunt (met alleen eigen gegevens), maar de resultaten van het machinaal leren worden gedeeld tussen het netwerk, ten voordele van alle knooppunten. Dit proces zorgt ervoor dat er geen ruwe patiëntgegevens worden uitgewisseld tussen instellingen, waardoor de privacy van de patiënt behouden blijft.
Zwermen drones kunnen binnenkort het slagveld bevolken.
Shutterstock / Andy Dean Fotografie
Zwermen en oorlogvoering
Drone-technologie wordt steeds vaker gebruikt in frontliniegevechten, de laatste tijd vooral door Oekraïense troepen in het lopende conflict tussen Rusland en Oekraïne. In de huidige vorm vereist conventionele drone-technologie echter één-op-één toezicht.
Het huidige defensieonderzoek is erop gericht om de communicatie tussen drones te vergemakkelijken, zodat één controller een zwerm drones kan besturen. De ontwikkeling van dergelijke technologie belooft de schaalbaarheid, verkenning en aanvalsmogelijkheden van gevechtsdrones enorm te verbeteren door continue informatieoverdracht binnen groepen drones mogelijk te maken.
Naarmate het onderzoek zich verder verdiept in het zwermen, ontdekken we een wereld waarin collectieve actie zorgt voor complexiteit, aanpassingsvermogen en efficiëntie. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, zal de rol van zwermintelligentie steeds groter worden en zal onze wereld verweven raken met de fascinerende dynamiek van zwermen.
Samuel Johnson ontvangt financiering van de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC).
