中央指挥和控制复杂系统的好处往往是显而易见的。眼睛和腿与大脑的交流使我们能够走直线。但这类人造或自然系统有时会遭受严重的脆弱性。在最近的政府部分关闭期间，美国社会经济活动的重要领域受到了严重破坏，这生动地说明了当一个国家的中央控制单元突然关闭时会发生什么。神经退行性疾病中脑细胞的死亡，消灭了身体的控制者，显示了生物系统的同样弱点。
避开系统的中央控制有其优点。缺少一个“大脑”来指导行为意味着个体部分的缺失对集体行为的影响很小。由乔治华盛顿大学的物理学家尼尔·约翰逊领导的一个研究小组开发了一个分散系统模型，该模型成功地模拟了苍蝇幼虫的运动。2月6日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这项研究显示，当模型的单个部分能力较弱时，其表现最佳——更简单的组件使整个系统更有效。相比之下，集中式系统的功能更好，因为它们的组成部分经过了改进。研究人员认为，这一发现有可能为从自动驾驶汽车的设计到神经系统疾病的治疗再到组织结构的各个方面提供信息。它甚至可能对理解进化过程有影响。
分散控制在自然界中比比皆是，在细菌、黏菌和蚁群中都能找到。Johnson从观察中得到灵感，因为果蝇(果蝇)幼虫的神经回路非常简单，在运动过程中，果蝇幼虫的各个部分以一种半独立的方式活动。这代表了在单个生物体中分散控制的一个例子，而不是蜜蜂或其他集体实体所展示的“群体智能”。尽管幼虫的身体各部分缺乏中央协调，但它们总是能达到向理想温度移动的目标——这一过程被称为趋热性。
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幼虫通过收缩波向前推进。当线段在一边展开，在另一边收缩时，它们就会转弯。感温神经元决定了线段的运动，这些运动的综合效应决定了转角。“幼虫的协调方式类似于群体如何协调移动到出口，”Johnson说。“并不是每个人都在打电话，只是，根据外界信息，存在这种集体聚集行为。”
研究人员创建了一个数学模型，该模型使用独立的组件(或“代理”)再现幼虫的运动，这些组件将过去运动的结果存储在记忆中(如果结果与目标方向更一致，则定义为1，否则定义为0)。每个代理根据过去结果的历史选择下一个动作(左转/右转)，通过引用一组“策略”，这些策略将不同的过去结果集合与不同的转弯方向相关联。研究人员将所有可能策略的不同子集分配给不同的模型代理，对应于幼虫中半独立的部分，使它们的行为有所不同——每个模型代理在每一步都选择了最佳的策略。研究小组发现这个模型产生了爬行轨迹，看起来非常像幼虫的真实数据，并说服它们捕捉到了真实系统的一些本质。圣达菲研究所的数学家大卫·沃尔伯特没有参与这项研究，他说:“它和果蝇的配对方式真的很酷。”“这是一项非常清晰的研究，在理解这些问题方面迈出了很好的一步。”
这一关键发现与记忆大小的变化有关。在内存容量非常小的情况下，模型的性能很差——但是在内存超过一定的大小之后，它的性能也逐渐变差。
如果一个系统的组成部分变得过于智能(这里用“m”表示)而变得过于庞大，那么这个系统就会离目标目标越来越远。图片来源:Pedro D. Manrique
研究人员使用“群体/反群体”理论来解释这一结果，该理论是独立个体如何形成一致行为的群体的数学描述。当内存容量很小时，就会形成大量的代理，它们都朝着同一个方向推动。它们先大转弯，然后突然转向另一个方向，产生夸张的之字形运动。如果这些代理有太多的记忆，人们就会被长期过去的结果所决定的策略所困，而没有充分考虑到表明他们偏离了方向的近期信息。
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在这两个极端之间的最佳位置会产生中等规模的人群，他们使用相反的策略，就像赛艇队的每一半人把桨放到船的两边。约翰逊说:“当你增加记忆时，这就相当于过度思考。”“你有太多的历史，强化了过去的偏见。沃尔伯特说，有时单一代理处理问题也会产生类似的效果。他表示:“当人们(从一系列过去的价值)预测股市时，他们会非常小心，不去看太多过去的点。”“这是杂乱;这使得学习问题更加困难。
该团队声称，这项工作可能提供一种新的思路，来思考进化是如何从分散的自然设计(如细菌)，跳到对人类等生物使用集中的计划。这意味着，在分散式设计中，如果不切换到集中式设计，“智能”组件的使用可能会受到限制。该小组下一步计划研究用激光摧毁幼虫的部分神经回路(有点像使单个桨手丧失能力)如何影响运动。研究小组还想通过将两个划手绑在一起，或者在愚笨的划手中间插入一个拥有超级记忆的划手，来探索这个模型的行为。最终，约翰逊希望寻求可能的医学意义。未来的研究将探索，在帕金森症等疾病中，给某些肌肉提供有限的反馈(例如，根据肌肉是否超出目标)是否有助于抑制大脑控制信号受损引起的震颤。约翰逊说:“我们将在考虑到通用运动神经元疾病的情况下，提出一项拨款申请，以实现这一目标。”“我们不知道它是否可行，但我认为我们已经证明了它在理论上是可行的。”
本研究可能应用的其他领域包括自动车辆设计和组织绩效。然而，沃尔伯特很谨慎。他说，该研究没有将该模型与其他任何模型进行比较，因此几乎没有告诉我们分散控制相对于集中控制的优点。他指出，工程系统可以通过简单的复制来减轻单个控制器的脆弱性。其中一个不适用的情况是，一队机器人士兵在执行特殊任务时，作为一个单位工作时需要保持无线电静默。“机器人不允许交流，所以它们必须以分散的方式运行，”他指出。“这些结果表明，作为(设计)工程师，为了实现总体目标，你至少应该考虑限制机器人的认知能力。”
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