Fizyka tratw mrówek ognistych może pomóc inżynierom w projektowaniu rojących się robotów

Fizyka tratw mrówek ognistych może pomóc inżynierom w projektowaniu rojących się robotów

Noe wyszedł z potopu w arce. Kubuś Puchatek miał odwrócony parasol. Tymczasem mrówki ogniste (Solenopsis invicta) tworzą pływające tratwy złożone z tysięcy, a nawet setek tysięcy pojedynczych owadów.

Nowe badanie przeprowadzone przez inżynierów z University of Colorado Boulder określa proste, oparte na fizyce zasady, które rządzą tym, jak te tratwy mrówek zmieniają się w czasie: kurczenie się, rozszerzanie lub powiększanie długich wypustek jak trąba słonia. Odkrycia zespołu mogą pewnego dnia pomóc naukowcom zaprojektować roboty współpracujące w rojach lub materiałach nowej generacji, w których cząsteczki migrują, aby naprawić uszkodzone miejsca.

Wyniki pojawiły się niedawno w czasopiśmie PLOS Computational Biology.

„Źródła takich zachowań leżą w dość prostych zasadach” – powiedział Franck Vernerey, główny badacz nowego badania i profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Paula M. Rady. „Pojedyncze mrówki nie są tak inteligentne, jak mogłoby się wydawać, ale zbiorowo stają się bardzo inteligentnymi i odpornymi społecznościami”.

Mrówki ogniste tworzą te gigantyczne pływające plamy wijących się owadów po burzach w południowo-wschodnich Stanach Zjednoczonych, aby przetrwać szalejące wody.

W swoim najnowszym badaniu Vernerey i główny autor Robert Wagner wykorzystali matematyczne symulacje lub modele, aby spróbować zrozumieć mechanikę leżącą u podstaw tych szalup ratunkowych. Odkryli na przykład, że im szybciej poruszają się mrówki na tratwie, tym bardziej tratwy te będą się rozszerzać na zewnątrz, często tworząc długie występy.

„To zachowanie może zasadniczo wystąpić spontanicznie” – powiedział Wagner, absolwent inżynierii mechanicznej. „Mrówki niekoniecznie muszą podejmować jakiekolwiek decyzje”.

Czas na bieżni

Wagner i Vernerey niemal przypadkiem odkryli tajemnice tratw mrówczych.

W oddzielnym badaniu opublikowanym w 2021 r. duet wrzucił tysiące mrówek ognistych do wiadra z wodą z plastikowym prętem pośrodku – jak samotna trzcina na środku burzliwych wód. Potem czekali.

„Zostawiliśmy je tam na maksymalnie 8 godzin, aby obserwować długoterminową ewolucję tych tratw” – powiedział Wagner. „W końcu zobaczyliśmy, że tratwy zaczęły formować te narośla”.

Zamiast zachowywać ten sam kształt przez dłuższy czas, struktury ściskałyby się, tworząc gęste kręgi mrówek. W innych momentach owady rozchodziły się jak ciasto naleśnikowe na patelni, a nawet budowały przedłużenia przypominające mosty.

Grupa poinformowała, że ​​mrówki wydawały się modulować te zmiany kształtu poprzez proces „bieżni”. Jak wyjaśnił Wagner, każda tratwa na mrówki składa się z dwóch warstw. Na dole można znaleźć mrówki “strukturalne”, które przytulają się do siebie i tworzą bazę. Nad nimi znajduje się druga warstwa mrówek, które swobodnie chodzą po innych członkach kolonii.

W ciągu kilku godzin mrówki z dna mogą czołgać się na górę, podczas gdy poruszające się swobodnie mrówki opadają, stając się częścią warstwy strukturalnej.

„Całość przypomina bieżnię w kształcie pączka” – powiedział Wagner.

Most do bezpieczeństwa

W nowym badaniu on i Vernerey chcieli zbadać, co sprawia, że ​​ta bieżnia działa.

W tym celu zespół stworzył serię modeli, które zasadniczo zmieniły tratwę mrówek w skomplikowaną grę w warcaby. Naukowcy zaprogramowali około 2000 okrągłych cząstek, czyli „agentów”, aby zastępowały mrówki. Ci agenci nie mogli sami podejmować decyzji, ale przestrzegali prostego zestawu zasad: na przykład fałszywe mrówki nie lubiły wpadać na sąsiadów i starały się unikać wpadnięcia do wody.

Kiedy pozwolili grze się rozegrać, Wagner i Vernerey odkryli, że ich symulowane tratwy mrówek zachowywały się bardzo podobnie do prawdziwych rzeczy.

W szczególności zespół był w stanie dostosować aktywność agentów w swoich symulacjach: czy poszczególne mrówki były powolne i leniwe, czy też dużo chodziły? Im więcej chodziły mrówki, tym bardziej prawdopodobne było, że tworzą długie przedłużenia, które wystają z tratwy – trochę jak ludzie biegnący w kierunku wyjścia z zatłoczonego stadionu.

„Mrówki na końcach tych występów prawie zostają zepchnięte z krawędzi do wody, co prowadzi do efektu ucieczki” – powiedział.

Wagner podejrzewa, że ​​mrówki ogniste używają tych rozszerzeń, aby orientować się w swoim otoczeniu, szukając kłód lub innych kawałków suchego lądu.

Naukowcy wciąż muszą się wiele nauczyć o tratwach na mrówki: co sprawia, że ​​mrówki w prawdziwym świecie decydują się na przykład na przestawienie się z uspokojonych na leniwe? Ale na razie Vernerey mówi, że inżynierowie mogliby się czegoś nauczyć od mrówek ognistych.

„Nasza praca nad mrówkami ognistymi, miejmy nadzieję, pomoże nam zrozumieć, jak można zaprogramować proste zasady, na przykład za pomocą algorytmów dyktujących interakcje robotów z innymi, aby osiągnąć dobrze ukierunkowaną i inteligentną reakcję roju” – powiedział.

Wideo: https://youtu.be/IrLc-uDv7GU

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]
science