叶脉为配电网提供了一种新的模式

2019-08-28 286裸子植物银杏

直线可能是从A到B的最短路径,但它并不总是最可靠或最有效的路径。事实上,根据一种新的模型,根据旅行目的地的不同,最好的路线可能会绕圈运行,这一模型推翻了几十年来对这一主题的理论化。洛克菲勒大学(Rockefeller University)的一个生物物理学家团队开发了一个数学模型,该模型显示,叶脉为配电网提供了一种新的模式。复杂的相互连接的回路集——就像叶片中输送水分的网状静脉——为向系统的不同部分供应波动负荷提供了最佳的分配网络。它还表明,这样的网络能够最好地处理损害。

叶脉为配电网提供了一种新的模式

这些发现可能会改变工程师们设计网络的方式,以应对各种挑战,比如城市的水或电的分配。 

长期以来,运筹学研究人员一直认为,在许多情况下,最佳的分销网络看起来就像树一样,由一根中心茎发出一连串的分支,然后从这些分支发出分支,以此类推,直到理想的目的地。但这种网络是脆弱的:如果它在任何地方被切断,网络就会被切断成两半,货物就无法到达断裂的任何“下游”点。 

相比之下,在大多数复杂植物的叶子中,进化已经设计出一个系统来分配水,至少在两个关键方面更加柔韧。植物不断受到虫子、疾病、动物和天气的攻击。如果一片叶子的分布网络像树一样被破坏,受损的叶子下游的部分会因缺水而死亡。在地球上一些更古老的植物中,如银杏,情况就是这样。但许多更年轻、更复杂的植物已经进化出了一个由相互连接的回路组成的静脉系统,它可以让水绕过任何损伤,为任何给定的点提供许多路径,就像柠檬叶一样。运营研究人员已经认识到,这些损伤是一种有效的对冲损失的措施。根据最新研究,最令人惊讶的是什么?

叶脉为配电网提供了一种新的模式

研究背景

洛克菲勒大学(Rockefeller University)数学物理实验室的负责人Marcelo O. Magnasco认为,复杂网络还能更好地根据系统不同部分需求的变化来处理波动的负载——这是动态配电网中一个常见的现实需求。 

Magnasco说:“几十年来,人们一直认为,这种树状的网络是应对需求波动的最佳选择。”“这些发现可能会严重改变现状。人们将不得不重新审视他们是如何设计这类系统的。” 

在发表的一篇论文的封面故事1月29日物理评论快报,洛克菲勒中心Magnasco领导的小组,首席研究员Eleni Katifori和他的同事们提出一个模型,根据叶脉的每一部分所能携带的水量,按比例分配成本。他们寻找的是在面对叶片和人工构建的网络中常见的两种挑战时压力最小的网络:对随机选择的网络段的破坏和网络不同部分所需负载的变化。在这两种情况下,他们发现最健壮的系统是一个复杂的、层次分明的嵌套循环网络,类似于叶片中输送水分的分形静脉网络。这种环状的网状结构也存在于视网膜的血管、一些珊瑚的结构和昆虫翅膀的结构静脉中。 

Katifori现在将研究扩展到更深入地研究配电网如何处理波动的负载,并在叶片的自然解决方案的指导下。 

Katifori说:“人们很容易忽略这些循环,因为中央静脉突出,呈树形。”“但它们都是相连的,如果你只看叶子,就能看到这些回路。” 

引用

Rockefeller University. "Leaf veins inspire a new model for distribution networks." ScienceDaily. ScienceDaily, 3 March 2010.
www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100227214036.htm.

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