Новое исследование объясняет, как муравьиные плоты способны трансформироваться: сжиматься, расширяться или вырастать в длинные хоботоподобные выступы. Выводы ученых помогут разработать роботов, способных на эффективную деятельность в команде, или материалы следующего поколения, в которых молекулы мигрируют, чтобы исправить дефекты.
«Истоки такого поведения довольно просто объяснить. Одинокие муравьи не так умны, как можно подумать, но вместе они становятся очень разумными и устойчивыми сообществами», — рассказал Франк Вернери, автор нового исследования и профессор кафедры машиностроения Университета Колорадо.
Огненные муравьи (Solenopsis invicta) собираются вместе в единый «сгусток» — это помогает насекомым выжить после штормов на юго-востоке США.
В своем исследовании Вернери и ведущий автор Роберт Вагнер использовали математические симуляции и модели, чтобы попытаться выяснить механизм, лежащий в основе этих «спасательных шлюпок». Они обнаружили, например, что чем быстрее двигаются муравьи на плоту, тем больше эти плоты будут расширяться наружу, часто образуя длинные выступы.
«По сути, такое поведение может происходить спонтанно. Не обязательно, чтобы муравьи подчинялись какому-либо централизованному решению», — отметил Вагнер.
Вернери и Вагнер бросили тысячи огненных муравьев в емкость с водой с пластиковым стержнем посередине, имитирующим одинокий тростник посреди бурных вод.
«Мы оставили их там на 8 часов, чтобы наблюдать за долгосрочной эволюцией этих плотов. В итоге мы увидели, что плоты начали формировать своеобразные наросты», — рассказал Вагнер.
Вместо того, чтобы сохранять одну и ту же форму, с течением времени, структуры сжимались и стягивались, образуя плотные круги муравьев. В других случаях насекомые разлетались веером, как тесто для блинов на сковороде.
Ученые рассказали, что муравьи, по-видимому, модулируют эти изменения формы посредством процесса так называемой «беговой дорожки». Как объяснил Вагнер, каждый муравьиный плот состоит из двух слоев. На дне можно найти «структурных» муравьев, которые крепко цепляются друг за друга и составляют основу. Над ними находится второй слой муравьев, которые свободно ходят поверх своих собратьев по колонии.
В течение нескольких часов муравьи со дна могут переползти наверх, в то время как свободно блуждающие муравьи опустятся вниз, чтобы стать частью структурного слоя.
«Все это похоже на беговую дорожку в форме пончика», — сказал Вагнер.
В новом исследовании он и Вернери хотели выяснить, что заставляет вращаться беговую дорожку.
Для этого команда создала серию моделей, которые, по сути, превратили муравьиный плот в сложную игру в шашки. Исследователи запрограммировали примерно 2000 круглых частиц, или «агентов», которые заменяли муравьев. Эти агенты не могли принимать решения за себя, но они следовали простому набору правил: фальшивые муравьи, например, не любили натыкаться на своих соседей и старались не падать в воду.
Вагнер и Вернери обнаружили, что их смоделированные муравьиные плоты ведут себя очень похоже на настоящие. В частности, команда смогла настроить активность агентов в своих симуляциях: были ли отдельные муравьи медленными и ленивыми, или напротив — энергичными и подвижными? Чем больше муравьи передвигались, тем больше возникала вероятность того, что они образовали длинные отростки, которые торчали из плота — немного похоже на то, как люди направляются к выходу на переполненном стадионе.
Вагнер подозревает, что огненные муравьи используют эти расширения, чтобы ощупывать окружающую среду в поисках бревен или других участков суши.
Исследователям еще многое предстоит узнать о муравьиных плотах: например, что заставляет муравьев в реальном мире переключаться с степенных на ленивых? Но пока Вернери говорит, что инженеры могут кое-чему научиться у огненных муравьев.
«Наша работа над огненными муравьями, надеюсь, поможет нам понять, как можно запрограммировать простые правила, например, с помощью алгоритмов, определяющих, как роботы взаимодействуют с другими, для достижения целенаправленной и разумной реакции роя», — сказал он.
Читать далее:
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Разработано экологически чистое топливо на основе диоксида углерода