Stigmergy là kiểu phối hợp mà các cá thể không nói chuyện trực tiếp với nhau, mà "nói" qua dấu vết để lại trong môi trường: một viên đất mối vừa đắp rủ con mối sau đắp tiếp vào đúng chỗ đó, một đống xác kiến lớn dần vì kiến có xu hướng thả thêm vào nơi đã có sẵn. Công việc đã làm trở thành chỉ dẫn cho công việc tiếp theo. Thuật ngữ này do nhà động vật học Pháp Pierre-Paul Grassé đặt ra năm 1959 khi nghiên cứu cách mối xây tổ.
Câu đố của Grassé
Ụ mối ở châu Phi có thể cao vài mét, bên trong là hệ thống buồng, hành lang, vòm và cột phức tạp. Thế nhưng từng con mối thợ gần như mù, bộ não bé xíu, và không con nào nhìn thấy toàn bộ công trình. Không có bản vẽ, không có kỹ sư trưởng. Vậy làm sao chúng xây được?
Pierre-Paul Grassé, giáo sư ở Paris, quan sát mối thợ xây dựng trong phòng thí nghiệm. Ông nhận thấy hành vi của mối không phụ thuộc vào việc con khác đang làm gì, mà phụ thuộc vào cái mà công trình đang có. Một viên đất đã đắp ở đâu đó kích thích mối đắp thêm vào đấy. Năm 1959, ông đặt tên cho cơ chế này là stigmergie, ghép từ hai gốc Hy Lạp: stigma là dấu, vết; ergon là công việc. Hiểu nôm na: công việc để lại dấu vết, dấu vết gọi thêm công việc.
Mối dựng cột và vòm thế nào
Quan sát và mô hình hóa sau đó cho thấy một chuỗi bước rất đơn giản:
- Thả ngẫu nhiên. Ban đầu, mối thợ mang những viên đất nhỏ trộn nước bọt và đặt xuống gần như ngẫu nhiên.
- Dấu vết gọi thêm. Viên đất mới đắp mang theo chất hóa học từ mối. Mối đi ngang có xu hướng đặt viên của mình gần chỗ đã có viên đất mang mùi.
- Đống nào lớn thì lớn nhanh hơn. Chỗ nào được đắp nhiều thì mùi đậm hơn, thu hút thêm mối, nên vài đống vượt lên, các đống nhỏ bị bỏ dở. Những đống này lên thành cột.
- Hai cột gần nhau thành vòm. Khi hai cột đủ cao và đủ gần, mùi từ cột này ảnh hưởng tới việc đắp ở đỉnh cột kia. Mối đắp nghiêng về phía nhau, hai đỉnh cột chụm lại thành vòm.
Năm 1977, nhà nghiên cứu Bỉ Jean-Louis Deneubourg viết một mô hình toán cho đúng quá trình này: chỉ với việc đặt ngẫu nhiên, mùi bay hơi dần và lan ra xung quanh, cùng xu hướng đặt ở chỗ mùi đậm, mô hình tự sinh ra những cột cách nhau khá đều. Khoảng cách giữa các cột do tốc độ mùi lan và bay hơi quyết định, không do ai đo đạc.
Nghĩa trang và vườn trẻ của kiến
Nhiều loài kiến gom xác đồng loại ra khỏi tổ thành từng đống, như những nghĩa trang nhỏ. Deneubourg và cộng sự quan sát rằng nếu rải xác kiến ngẫu nhiên trên một mặt phẳng, sau vài giờ kiến gom chúng thành vài đống lớn. Họ đề xuất quy tắc:
- Nhặt một xác lên nếu xung quanh nó có ít xác khác.
- Thả xác đang mang xuống nếu xung quanh có nhiều xác khác.
Không con kiến nào biết "đống lớn nhất ở đâu". Mỗi con chỉ cảm nhận mật độ tại chỗ. Ở một số loài, cùng kiểu quy tắc giúp kiến xếp ấu trùng theo từng vòng: trứng và ấu trùng nhỏ ở giữa, ấu trùng lớn ra rìa. Năm 2002, nhóm của Guy Theraulaz công bố thêm thí nghiệm trên loài kiến Messor sancta cho thấy hình dạng các đống xác còn phụ thuộc vào luồng không khí và độ ẩm, tức là chính môi trường góp phần vào thiết kế.
Hai kiểu dấu vết
Các nhà nghiên cứu thường chia stigmergy thành hai dạng:
| Kiểu | Dấu vết là gì | Ví dụ trong tự nhiên | Ví dụ ở người |
|---|---|---|---|
| Định lượng | Một tín hiệu mạnh yếu: mùi đậm nhạt, đống to nhỏ | Cột mối, đống xác kiến, vệt mùi dẫn đường của kiến | Đường mòn tắt qua bãi cỏ: càng nhiều người đi càng rõ |
| Định tính | Hình dạng cụ thể của công trình gợi bước tiếp theo | Ong vò vẽ thêm ô lục giác vào chỗ đã có sẵn vách | Bảng trạng thái chung: ô trống gợi việc còn thiếu |
Vệt mùi pheromone mà kiến dùng tìm đường tới nguồn thức ăn cũng là một dạng stigmergy định lượng, đã có bài riêng trong hệ. Bài này tập trung vào việc xây dựng và sắp xếp, nơi dấu vết là chính công trình.
Ong vò vẽ xây tổ từng ô
Ong vò vẽ giấy thuộc chi Polistes xây tổ bằng sợi gỗ nhai nhuyễn, gồm những ô lục giác treo dưới một cuống. Các nghiên cứu về cách chúng chọn chỗ thêm ô cho thấy ong ưa xây ô mới ở vị trí đã có sẵn nhiều vách kề, tức là nơi tốn ít vật liệu nhất để hoàn thành một ô. Từ quy tắc cục bộ ấy, tổ mọc ra thành hình gần tròn, gọn gàng. Ở đây ong không cần nhớ mình đã làm gì; cấu trúc hiện có đã ghi nhớ hộ.
Robot xây như mối
Năm 2014, Justin Werfel, Kirstin Petersen và Radhika Nagpal ở Đại học Harvard công bố trên tạp chí Science hệ thống robot TERMES, lấy cảm hứng trực tiếp từ mối. Mỗi robot nhỏ chỉ biết leo lên các khối gạch, mang một khối, và đặt nó xuống theo vài quy tắc dựa trên những gì nó cảm nhận ngay trước mặt. Các robot không liên lạc với nhau; chúng "đọc" công trình đang xây để biết bước tiếp theo. Dù vậy, nhóm robot vẫn dựng được những cấu trúc đã định trước, kể cả cầu thang và tháp.
Lợi thế của cách làm này giống hệt ở mối: thêm robot thì xây nhanh hơn, mất vài robot thì công trình vẫn tiếp tục, và không cần một máy chủ điều khiển trung tâm. Các nhà nghiên cứu nghĩ tới ứng dụng ở những nơi khó tiếp cận, như xây dựng ở vùng thiên tai hay ngoài Trái Đất.
Con người cũng phối hợp qua dấu vết
Khi để ý, ta thấy stigmergy ở khắp đời sống:
- Đường mòn tắt. Một vệt cỏ bị giẫm rạp mời người sau đi theo, càng đi càng rõ. Nhà vật lý Dirk Helbing và cộng sự đã mô phỏng cách những hệ thống đường mòn như vậy hình thành trong khuôn viên trường học, và nhiều kiến trúc sư cảnh quan chờ xem đường mòn xuất hiện ở đâu rồi mới lát gạch.
- Bách khoa toàn thư mở. Một bài viết còn sơ sài trên Wikipedia mời người khác bổ sung; mỗi lần sửa là một "viên đất" gợi lần sửa sau. Hàng triệu người cùng viết mà phần lớn không bao giờ trao đổi trực tiếp với nhau.
- Bảng theo dõi trong phòng điều phối. Ở khoa cấp cứu, phòng điều phối hay ban chỉ huy sự cố, một tấm bảng chung ghi giường nào trống, xe nào đang đi, việc nào chưa ai nhận. Người vào ca không cần hỏi từng người; nhìn bảng là biết phải làm gì tiếp.
- Sổ giao ca. Người trực trước ghi lại tình trạng, người trực sau đọc và làm tiếp. Dấu vết viết tay là cầu nối giữa hai người có thể không bao giờ gặp nhau.
Mặt trái: dấu vết sai cũng lan
Stigmergy khuếch đại những gì đã có, kể cả sai lầm. Một đường mòn tắt có thể dẫn qua chỗ nguy hiểm; một thông tin sai trên bảng chung có thể khiến cả ca hành động sai. Vì thế các hệ thống điều phối của con người luôn kèm cơ chế xóa dấu vết cũ: dọn bảng cuối ca, ghi rõ giờ cập nhật, quy định ai được sửa. Trong tự nhiên, việc mùi bay hơi dần cũng làm đúng chức năng đó, giúp dấu vết cũ không giữ hệ thống mãi trong một trạng thái.
Góc nhìn hôm nay: thiết kế môi trường để người tự phối hợp
Bài học lớn nhất của stigmergy là đôi khi muốn nhóm phối hợp tốt, không cần thêm họp hay thêm lệnh, mà cần một môi trường "biết nói": một bảng việc ai cũng thấy, một khu vực để đồ có chỗ rõ ràng cho từng món, một quy ước đánh dấu việc đã xong. Khi công việc tự hiện ra cho người tiếp theo, việc điều phối trở nên nhẹ nhàng hơn nhiều.
Ở Việt Nam, dễ thấy ụ mối ở các vùng đất đỏ, rừng khộp Tây Nguyên hay vườn cây ăn trái, và tổ ong vò vẽ dưới mái hiên. Hãy quan sát từ xa, đừng chọc phá tổ ong vò vẽ vì chúng đốt rất đau. Muốn tìm hiểu kỹ hơn, cuốn Self-Organization in Biological Systems (2001) do Scott Camazine, Jean-Louis Deneubourg và các cộng sự viết là tài liệu nền tảng, dù khá chuyên sâu.
Câu hỏi thường gặp
Stigmergy là gì?
Stigmergy là cơ chế phối hợp gián tiếp, trong đó các cá thể không trao đổi trực tiếp mà phản ứng với dấu vết do cá thể trước để lại trong môi trường. Dấu vết của việc đã làm kích thích việc làm tiếp theo.
Ai đặt ra thuật ngữ stigmergy?
Nhà động vật học Pháp Pierre-Paul Grassé đặt ra thuật ngữ này năm 1959 khi nghiên cứu cách mối xây tổ. Từ này ghép hai gốc Hy Lạp nghĩa là "dấu vết" và "công việc".
Mối xây tổ cao mà không có bản vẽ bằng cách nào?
Mỗi con mối chỉ theo quy tắc cục bộ, như đặt viên đất ở chỗ đã có đất mang mùi. Chỗ được đắp nhiều thu hút thêm mối, tạo thành cột; hai cột gần nhau chụm lại thành vòm. Cấu trúc lớn hình thành từ nhiều bước nhỏ như vậy.
Stigmergy khác vệt mùi dẫn đường của kiến thế nào?
Vệt mùi dẫn đường là một dạng stigmergy, trong đó dấu vết là pheromone trên mặt đất. Stigmergy rộng hơn: dấu vết có thể là chính công trình đang xây, đống vật liệu, hay hình dạng của tổ.
Con người có dùng stigmergy không?
Có. Đường mòn tắt qua bãi cỏ, các trang bách khoa toàn thư mở, bảng theo dõi chung trong phòng điều phối và sổ giao ca đều là những cách phối hợp qua dấu vết để lại, không cần mọi người trao đổi trực tiếp.
