Инженеры могут учиться у пчёл оптимальному проектированию сотовых структур

Идеальные шестиугольные структуры, вдохновлённые сотами в пчелиных ульях, широко используются в строительстве крыльев самолётов, лодок, автомобилей, лыж, сноубордов, упаковки и звукопоглощающих материалов.

Проблемы возникают, когда ограничения пространства или необходимость ремонта требуют от инженеров сохранять механическую прочность конструкции при соединении промышленных сотовых панелей с ячейками разного размера. Высокопроизводительные компьютеры с 3D-принтерами могут решить эту проблему в будущем, но могут ли пчёлы предложить более эффективную и адаптивную стратегию?

Новое исследование показывает, что могут. Оказывается, медоносные пчёлы — искусные архитекторы, которые планируют заранее и создают ячейки неправильной формы с разными углами, чтобы соединить однородные решётки в условиях ограниченного пространства.

Специальная визуализация естественных сот и компьютерное моделирование показали, что рабочие пчёлы меняют наклон, размер и геометрическую форму ячеек для решения различных строительных задач. Об этом говорится в статье «Неидеальное строительство сот раскрывает архитектурные способности медоносных пчёл», опубликованной 26 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Пчёлы строят два типа шестиугольных ячеек: маленькие для вывода рабочих пчёл и большие для вывода трутней. Сложность возникает, когда пчёлы должны соединить решётки из маленьких ячеек с большими, так как геометрия не позволяет сделать это бесшовно. Пчёлы не перестраивают свои ячейки, а воск для них — самый энергетически дорогой материал.

В результате пчёлы используют другие формы — пятиугольники или семиугольники — чтобы соединить панели из идеальных шестиугольных ячеек для трутней и рабочих пчёл. Наряду с созданием ячеек разной формы, пчёлы также строят ячейки нестандартного размера, а иногда даже комбинируют несколько типов нестандартных ячеек. Авторы называют эти пары и тройки нерегулярных ячеек «мотивами» и показывают, что определённые комбинации встречаются чаще, чем можно было бы ожидать случайно.

Иногда пчёлы переходят от строительства одного типа ячеек к другому, но делают это постепенно, в течение нескольких ячеек, что говорит о том, что они планируют заранее.

В исследовании учёные установили 12 колоний в полевых условиях с рамками без обычного воска и проволоки внутри, чтобы пчёлы могли строить естественные соты без направляющих. В конце сезона исследователи сделали специально освещённые снимки, а затем написали собственное программное обеспечение для автоматической идентификации, сортировки и измерения вершин, углов, размеров и геометрии тысяч ячеек.

Соавтор разработал теоретическую компьютерную модель, которая позволила проанализировать конфигурации и протестировать оптимальные способы соединения ячеек непрерывным образом при ограничениях пространства. Они использовали модель, чтобы спросить: насколько лучше могли бы сделать пчёлы? «И оказывается, не намного лучше».

Более 200 лет назад швейцарский энтомолог Франсуа Юбер предположил, что пчёлы могут использовать промежуточные ячейки для объединения сот, но у него не было современных инструментов для измерения тысяч ячеек и проверки своей идеи.

В будущей работе исследователи могут изучить, оптимизированы ли соты для механической прочности, и проверить широту архитектурного репертуара пчёл.