Няколко прости правила определят как плаващите салове с огнени мравки променят формата си с течение на времето

Огнените мравки са библейски пример за групово поведение, те са в състояние да действат като индивиди и също така да се комбинират, за да образуват плаващи салове в отговор на наводнения. Сега двойка машинни инженери от Университета на Колорадо, Боулдър, са идентифицирали някои прости правила, които изглежда управляват как плаващите салове с огнени мравки се свиват и разширяват формата си с течение на времето, според нова хартия Публикувано в списанието PLOS Computational Biology. Надеждата е, че като придобият по-добро разбиране на простите правила зад поведението на огнените мравки, те могат да разработят по-добри алгоритми, които контролират как взаимодействат рояци роботи.

Не е въпрос на умствена сила или внимателно планиране. „Това поведение може да се случи по същество спонтанно“, каза съавторът Робърт Вагнер. „Няма непременно никаква нужда от централизирано вземане на решения от мравките.“ Всъщност „единичните мравки не са толкова интелигентни, колкото може да се мисли, но заедно те стават много интелигентни и устойчиви общности“, Съавторът Франк Фернери каза:.

каквито сме ние споменах по-рано, няколко добре разположени мравки се държат като отделни мравки. Но опаковайте достатъчно от тях заедно и те ще се държат като едно цяло, показвайки твърди и течни свойства. Може да образува салове или кули и дори да го излеете от чайника като течност. Огнените мравки също се отличават с организирането на своите мравки Поток на трафика.

Всяка мравка сама по себе си има известна доза хидрофобия – способността да отблъсква водата – и това Имотът е кондензиран Когато са свързани заедно, те тъкат телата си като водоустойчива тъкан. Те събират всякакви яйца, пробиват си път към повърхността през тунелите си за гнезда и докато наводненията се издигат, те ще гризат телата си един на друг с долните си челюсти и нокти, докато се образува плоска структура, подобна на сал, като всяка мравка действа като отделна молекула в вещество — да речем, пясъчни зърна в купчина пясък.

Мравките могат да постигнат това за по-малко от 100 секунди. Освен това, салът за мравки е „самолекуващ се“: той е достатъчно силен, така че ако някоя мравка се загуби тук-там, цялостната структура може да остане стабилна и непокътната, дори в продължение на месеци. Накратко, салът на мравките е суперорганизъм.

През 2019 г. изследователи от Georgia Tech Докажи това Огнените мравки могат активно да усещат промените в силите, действащи върху сала при различни флуидни условия и съответно да адаптират поведението си, за да поддържат сала стабилен. Например, със силата на срязване, площта на сала е много по-малка, отколкото когато мравките се сблъскват само с центробежната сила. Последните мравки изпитват независимо къде са поставени в сала за мравки, докато само мравките на границата изпитват най-силната сила на срязване. Учените предположиха, че малките салове са резултат от мравки, които се опитват да избегнат да бъдат на границата, намалявайки повърхността в процеса.

Екипът на Georgia Tech също така забеляза, че огнените мравки в сал проучват допълнително дали салът е неподвижен, обикновено се разпространява хоризонтално, но също и вертикално, за да изградят временни конструкции, подобни на кули, с надеждата да намерят висящ клон, който да се хване, за да изсъхне . Земята. Би имало много по-малко изследователско поведение, ако салът на мравките се върти в отговор на центробежни или срязващи сили.

Новото изследване на Вернерей и Вагнер се основава на проучване Те публикуваха миналата година. Те проведоха експерименти, като пуснаха орди огнени мравки в кофа с вода с вертикален пластмасов прът в средата и след това наблюдаваха поведението на мравките при изграждането на сала през следващите осем часа. Идеята беше да се наблюдава как са еволюирали саловете с течение на времето. Имайте предвид, че понтоните не са запазили формата си. Понякога структурите се компресират в плътни кръгове от мравки. Друг път мравките започват да се разпространяват, за да образуват подобни на мост разширения, понякога ги използват, за да избягат от загражденията, което предполага, че поведението може да служи за еволюционно предимство.

Дуото беше очаровано от това как мравките постигат тези промени във формата чрез процес, който те нарекоха „мелница“. Поплавъците се състоят главно от два отделни слоя. Мравките в долния слой служат за структурна цел, тъй като образуват стабилната основа на сала. Но мравките в горния слой се движат свободно над телата, прикрепени към техните събратя в долния слой. Мравките понякога се движат от долния слой към горния слой или от горния слой към долния слой в цикъл, който Вагнер нарича „порочен кръг“.

Вернерей и Вагнер искаха да определят дали това поведение на бягащата пътека е умишлено решение на мравките, или се е появило спонтанно. Така те разработиха серия от факторно базирани модели, съставени от 2000 частици („фактори), представляващи всяка отделна мравка, ограничена до мрежа от водни възли. Едната група работни мравки (показани в циан) съставляват структурната основна мрежа, другата работничките мравки (показани в червено) са свободни да се движат над тях.

Мравките са програмирани да следват прост набор от правила, като избягване на сблъсъци с други мравки и да не падат във водата („правило за отлагане на ръба“). След това оставят симулацията да играе. И симулираните мравки се държаха много като своите колеги от реалния свят.

Например, когато активните работни мравки достигнат ръба на сала и влязат в контакт с водата, те избягват да се движат във водата, освен ако не бъдат принудени да го направят от близките активни работни мравки – и тогава само ако има достатъчно мравки, поддържащи конструкцията. да го заграби. Симулациите също така показаха спонтанно образуващи се издатини, подобни на мостове, и изследователите успяха да съпоставят тези образувания с относителната активност на мравките. Колкото по-активни са мравките, толкова по-вероятно е подутините да започнат да се образуват.

„Мравките по върховете на тези шпори са почти избутани от ръба във водата, създавайки ефект на бързо разхлабване“, каза Вагнер. Тези разкрития вероятно са средство, използвано от огнени мравки на сал, за да изследват околната среда, вероятно да търсят стволове на дървета или суха земя.

Авторите заключават: „Въпреки че сигналните фактори като феромоните не са изключени и трябва да бъдат тествани в бъдещи експериментални проучвания, този модел обикновено представлява локални механизми, чрез които огнените мравки могат да постигнат походка и растеж на теребове без централен контрол или целенасочено намерение. Те обаче признават, че това е хомогенен модел и че е вероятно да има повече от един набор от правила, регулиращи поведението на бягащите пътеки и появата на шпори – друг бъдещ фокус на техните изследвания.

DOI: PLOS изчислителна биология, 2022. 10.1371 / journal.pcbi.1009869 (Относно DOI).