Несколько простых правил определяют, как плавучие плоты огненных муравьев меняют форму с течением времени.

Огненные муравьи — библейский пример группового поведения. Они могут действовать как отдельные особи, а также объединяться вместе, образуя плавучие плоты в ответ на наводнения. Теперь пара инженеров-механиков из Колорадского университета в Боулдере определила несколько простых правил, которые, по-видимому, управляют тем, как плавучие плоты огненных муравьев сжимаются и расширяют свою форму с течением времени. новая бумага Опубликовано в журнале PLOS Computational Biology. Есть надежда, что, лучше поняв простые правила поведения огненных муравьев, они смогут разработать более совершенные алгоритмы, контролирующие взаимодействие роев роботов.

Это не вопрос умственной силы или тщательного планирования. «Такое поведение может происходить, по сути, спонтанно», — сказал соавтор Роберт Вагнер. «Муравьям не обязательно нужно какое-либо централизованное принятие решений». На самом деле, «одиночные муравьи не так умны, как можно было бы подумать, но в совокупности они становятся очень разумными и устойчивыми сообществами». Соавтор Фрэнк Фернери сказал:.

как и мы я упоминал ранее, несколько хорошо разнесенных муравьев ведут себя как отдельные муравьи. Но упакуйте их достаточно близко друг к другу, и они будут вести себя как единое целое, демонстрируя твердые и жидкие свойства. Он может образовывать плоты или башни, и вы даже можете выливать его из чайника в виде жидкости. Огненные муравьи также преуспевают в организации своих муравьев. Поток трафика.

Любой муравей сам по себе обладает некоторой гидрофобией — способностью отталкивать воду — и это Собственность была сжата Скрепленные вместе, они сплетают свои тела, как водонепроницаемую ткань. Они собирают любые яйца, пробираются на поверхность через туннели своих гнезд, и по мере подъема паводковых вод они будут грызть тела друг друга челюстями и когтями, пока не образуется плоская плотообразная структура, где каждый муравей действует как отдельная молекула в веществе, скажем, песчинки в куче песка.

Муравьи могут достичь этого менее чем за 100 секунд. Кроме того, муравьиный плот «самовосстанавливается»: он достаточно прочен, чтобы, если муравей заблудился то здесь, то там, общая структура могла оставаться стабильной и неповрежденной даже в течение нескольких месяцев. Короче говоря, муравьиный плот — это сверхорганизм.

В 2019 году исследователи Технологического института Джорджии Докажи это Огненные муравьи могут активно ощущать изменения сил, действующих на плот в различных условиях жидкости, и соответствующим образом адаптировать свое поведение, чтобы поддерживать устойчивость плота. Например, при сдвигающей силе площадь плота была намного меньше, чем при столкновении муравьев только с центробежной силой. Последние муравьи испытывают независимо от того, где они находятся в муравьином плоту, в то время как только муравьи на границе испытывают самую сильную силу сдвига. Ученые предположили, что маленькие плоты являются результатом того, что муравьи пытаются избежать нахождения на границе, уменьшая при этом площадь поверхности.

Команда Технологического института Джорджии также заметила, что огненные муравьи на плоту продолжают исследовать, стоит ли плот неподвижно, обычно распространяясь по горизонтали, но также и по вертикали, чтобы построить временные башнеобразные конструкции в надежде найти свисающие ветки, чтобы зацепиться за них, чтобы высохнуть. . Земной шар. Было бы гораздо меньше исследовательского поведения, если бы муравьиный плот вращался в ответ на центробежные или сдвигающие силы.

Новое исследование Вернери и Вагнера основано на изучать Они были опубликованы в прошлом году. Они провели эксперименты, бросая орды огненных муравьев в ведро с водой с вертикальной пластиковой палкой посередине, а затем наблюдая за поведением муравьев при строительстве плота в течение следующих восьми часов. Идея состояла в том, чтобы наблюдать, как плоты эволюционировали с течением времени. Обратите внимание, что понтоны не сохранили свою форму. Иногда строения сжимаются в плотные кольца муравьев. В других случаях муравьи начинают распространяться, образуя мостовидные расширения, иногда используя их для побега из вольеров, предполагая, что такое поведение может служить эволюционному преимуществу.

Дуэт был очарован тем, как муравьи достигают этих изменений формы с помощью процесса, который они назвали «мельницей». Поплавки в основном состоят из двух отдельных слоев. Муравьи в нижнем слое служат структурной цели, так как они образуют устойчивую основу плота. А вот муравьи верхнего слоя свободно передвигаются по телам, прикрепленным к их собратьям нижнего слоя. Муравьи иногда перемещаются из нижнего слоя в верхний или из верхнего слоя в нижний в цикле, который Вагнер называет «порочным кругом в форме пирога».

Вернери и Вагнер хотели определить, было ли такое поведение беговой дорожки преднамеренным решением муравьев или оно возникло спонтанно. Поэтому они разработали ряд основанных на факторах моделей, состоящих из 2000 частиц («факторов»), представляющих каждого отдельного муравья, ограниченного сетью водных узлов. рабочие муравьи (показаны красным) могут свободно перемещаться по ним.

Муравьи запрограммированы следовать простому набору правил, например избегать столкновений с другими муравьями и не падать в воду («правило отложения края»). Затем они запускают симуляцию. И смоделированные муравьи вели себя очень похоже на своих реальных собратьев.

Например, когда активные рабочие муравьи достигают края плота и вступают в контакт с водой, они избегают спускаться в воду, если к этому не принуждают находящиеся поблизости активные рабочие муравьи, и только в том случае, если муравьев, поддерживающих конструкцию, достаточно. захватить его. Моделирование также показало спонтанное образование похожих на мосты выступов, и исследователи смогли соотнести эти образования с относительной активностью муравьев. Чем активнее будут муравьи, тем больше шансов, что начнут образовываться шишки.

«Муравьи на кончиках этих отрогов почти отталкиваются от края в воду, создавая эффект быстрого разрыхления», — сказал Вагнер. Эти обнажения, вероятно, являются средством, используемым огненными муравьями на плоту для исследования окружающей среды, возможно, в поисках стволов деревьев или суши.

Авторы пришли к выводу, что «хотя ключевые факторы, такие как феромоны, не исключены и должны быть проверены в будущих экспериментальных исследованиях, эта модель обычно представляет локальные механизмы, с помощью которых огненные муравьи могут достигать роста походки и выпячивания без центрального контроля или целенаправленного намерения». Тем не менее, они признают, что это однородная модель и что, вероятно, существует более одного набора правил, регулирующих поведение беговых дорожек и появление шпор, что является еще одним направлением их исследований в будущем.

DOI: PLOS Computational Biology, 2022. 10.1371 / Журнал.pcbi.1009869 (О DOI).