Физика плотов огненных муравьёв может помочь в разработке роящихся роботов
Огненные муравьи (Solenopsis invicta) образуют плавающие плоты из тысяч или даже сотен тысяч отдельных насекомых. Новое исследование инженеров из Университета Колорадо в Боулдере описывает простые физические правила, управляющие тем, как эти плоты меняют форму со временем: сжимаются, расширяются или отращивают длинные выступы, подобные хоботу слона. Результаты могут помочь в разработке роботов, работающих вместе в роях, или материалов нового поколения, где молекулы мигрируют для устранения повреждений.
Результаты недавно опубликованы в журнале PLOS Computational Biology.
«Истоки такого поведения лежат в довольно простых правилах, — говорит Франк Вернери, руководитель исследования. — Отдельные муравьи не так умны, но коллективно они становятся очень разумными и устойчивыми сообществами».
В новом исследовании Вернери и ведущий автор Роберт Вагнер с помощью математического моделирования выяснили механику этих плотов. Они обнаружили, что чем быстрее муравьи на плоту двигаются, тем больше плот расширяется наружу, часто образуя длинные выступы.
«Это поведение может происходить спонтанно, без централизованного принятия решений муравьями», — отмечает Вагнер.
Механизм «беговой дорожки»
В предыдущем исследовании 2021 года учёные наблюдали, как плоты со временем формируют «выросты». Они сжимались, образуя плотные круги, или растекались, создавая мостоподобные расширения.
Муравьи модулируют эти изменения формы через процесс «беговой дорожки». Плот состоит из двух слоёв:
- Нижний («структурный») слой: муравьи крепко цепляются друг за друга, образуя основу.
- Верхний слой: муравьи свободно перемещаются по спинам сородичей.
В течение нескольких часов муравьи с нижнего слоя могут переползать наверх, а свободные особи — опускаться вниз, становясь частью структурного слоя.
Моделирование и выводы
Для нового исследования команда создала серию моделей, заменив около 2000 муравьёв «агентами», следующими простым правилам (например, избегание столкновений с соседями и воды).
Моделирование показало, что чем активнее были агенты, тем чаще формировались длинные выступы. Это похоже на движение толпы к выходу на стадионе.
«Муравьи на кончиках этих выступов почти сбрасываются с края в воду, что приводит к лавинообразному эффекту», — объясняет Вагнер.
Учёные предполагают, что муравьи используют эти выступы для обследования окружающей среды в поисках суши.
Инженеры могут извлечь уроки из этого исследования. «Наша работа поможет понять, как простые правила, запрограммированные в алгоритмах взаимодействия роботов, могут привести к целенаправленному и разумному роевому ответу», — заключает Вернери.