Наука подземных городов муравьёв

Под поверхностью простой надземной кучи скрываются сложные подземные города: разветвлённые туннели, ведущие к специализированным камерам для королевы, расплода, грибных ферм и отходов. Эти структуры, вмещающие миллионы особей и уходящие на 8 метров вглубь, строятся существами размером с ноготь.

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) под руководством профессора Хосе Андраде решили выяснить, как муравьи создают такие стабильные и сложные конструкции, чтобы улучшить технологии подземного строительства для людей (шахты, метро).

Понимают ли муравьи, что делают?

Изначальная гипотеза команды заключалась в том, что муравьи действуют осознанно, подобно игроку в Jenga: они чувствуют «силовые цепи» — зоны, где зёрна грунта несут нагрузку, — и избегают копать там, выбирая только свободные частицы.

Для проверки гипотезы к работе привлекли биолога Джо Паркера, специалиста по муравьям. После почти года подготовки команда научилась культивировать муравьёв и заставлять их рыть в небольших контейнерах с почвой, которые затем сканировали с помощью рентгеновского аппарата для создания 3D-моделей туннелей.

Физика муравьиного туннеля

Анализ поведения муравьёв выявил несколько принципов их работы:

• Эффективность: Муравьи копали вдоль стенок контейнера, используя их как часть конструкции туннеля, и старались делать ходы максимально прямыми.
• Угол естественного откоса: Муравьи инстинктивно копали туннели под максимально крутым углом, который может выдержать сыпучий материал, не обваливаясь. Они не превышали этот предел.
• Перераспределение нагрузки: Удаляя зёрна грунта, муравьи вызывали перестройку силовых цепей вокруг туннеля. Эти цепи укрепляли стенки готовой части хода и снимали давление с частиц в зоне копания, облегчая их удаление.

Алгоритм, а не знание

Ключевой вывод исследования: муравьи не «знают», что они делают, в смысле осознанного планирования.

«Они эволюционировали, чтобы рыть в соответствии с законами физики», — говорит Хосе Андраде.

Поведение — это «поведенческий алгоритм», emergent-свойство колонии как суперорганизма, а не результат работы индивидуального разума.

Перспективы для людей

Андраде планирует смоделировать этот алгоритм с помощью искусственного интеллекта, чтобы симулировать процесс рытья. Цель — масштабировать «муравьиную физику» для создания человеческих туннелей и, в перспективе, роботов-землекопов, которые смогут автономно и энергоэффективно работать с сыпучими материалами.

Исследование «Unearthing real-time 3D ant tunneling mechanics» опубликовано 23 августа в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.