erd_sol (erd_sol) wrote,
erd_sol
erd_sol

Category:

Изучение стабильности системы от муравьев


Новый тип коллективного поведения у муравьев был обнаружен международной группой ученых во главе с биологом профессором Iain Couzin. Их исследования показывают, как муравьи используют самоорганизующиеся архитектурные конструкции, называемые «подмостками», для обеспечения движения транспорта на наклонных поверхностях. Формирование лесов является результатом индивидуального восприятия и принятия решений, но при этом позволяет колонии в целом динамически приспосабливаться к непредсказуемым вызовам окружающей среды.

Проблема, общая для многих сложных искусственных систем, будь то транспортная инфраструктура или другие технологические системы - это отсутствие устойчивости к сбоям. Эти системы часто бывают жесткими и негибкими, а централизованные или иерархические структуры управления делают их уязвимыми для одноточечных возмущений. С другой стороны, биологические системы часто используют формы распределенного контроля и могут быть удивительно устойчивыми к возникающим проблемам в окружающей среде.

Чтобы узнать больше о механизмах контроля, лежащих в основе стабильности и устойчивости природных систем, биолог Iain Couzin из Констанца и его лаборатория вместе с международными коллегами из Австралии и США исследовали, как муравьи координируют движение во время кормодобывания. Их исследование, опубликованное в PNAS, описывает, как муравьи вида Eciton burchellii организуются в живые архитектурные сооружения, называемые «подмостками», на наклонных поверхностях, чтобы избежать нарушения движения транспорта и сберечь ресурсы. Исследователи предлагают механизм формирования каркаса, при котором каждый муравей регулирует свое поведение на основе собственного опыта, без необходимости общения на групповом уровне. Этот простой, но эффективный механизм пропорционального управления системой из животного мира может вдохновить на создание искусственных систем, от автономных транспортных средств до будущих форм устойчивой инфраструктуры, реагирующей на меняющиеся условия.

Прожорливые хищники и талантливые архитекторы

Для своего исследования ученые отправились в Панаму, где исследуемый вид - армейский муравей Eciton burchellii - обитает в тропических лесах острова Барро-Колорадо. Армейские муравьи Eciton - социальные насекомые, живущие большими колониями с сотнями тысяч рабочих. В течение дня они охотятся за добычей в массовых набегах, которые могут охватить территорию четырех теннисных кортов за один день. Среди множества эволюционных приспособлений, которые причисляют этих муравьев к числу хищников среди беспозвоночных тропических лесов, стоит отметить их замечательную способность к самоорганизации в живую архитектуру. На благо колонии отдельные муравьи объединяют свои силы, чтобы временно изменить окружающую среду и обеспечить движение транспорта во время охоты колонии.

В исследовании PNAS впервые подробно описывается один тип архитектуры, которую строят эти муравьи, которую авторы называют «подмостками». В естественных условиях леса образуются, когда пути следования E. burchellii пересекают наклонные поверхности, такие как ветви или камни, и отдельные муравьи останавливаются и цепляются за поверхность, оставаясь неподвижными. Авторы обнаружили, что при этом муравьи обеспечивают дополнительную хватку другим муравьям, которые продолжают свой путь, маршируя над неподвижными сородичами.

Было показано, что леса очень легко приспосабливаются, приобретая разные формы и размеры в зависимости от контекста - от нескольких рассредоточенных муравьев, расположенных как стена для лазания, до плотных скоплений муравьев, образующих выступающую полку. "Леса формируются быстро в ответ на разрушение, предотвращая скольжение и падение муравьев по тропе для сбора пищи. Это особенно важно, когда вы перевозите ценные ресурсы, например добычу, через плотное движение, и ваш след ведет через непредсказуемую среду тропического леса со всеми видами склонов и препятствия » - описывает Couzin.

Координация на уровне группы без общения

Чтобы экспериментально исследовать поведение коллективных лесов, авторы разработали устройство, которое позволяло вводить определенные уклоны в следы набегов колоний диких муравьев в полевых условиях. Проведя повторные эксперименты на склонах под разными углами, исследователи обнаружили, что муравьи надежно объединяются в леса при пересечении поверхностей, наклоненных более чем на 40 градусов. Чем круче был склон, тем больше муравьев поначалу соскальзывало или падало с платформы, а в ответ тем больше становились подмостки. Как только образовался помост - через несколько минут после того, как муравьи начали пересекать его - количество скользящих и падающих муравьев вернулось к низкому уровню благодаря опорной конструкции.

В соответствии со своими полевыми наблюдениями и подкрепленными теоретическим моделированием ученые описывают удивительно простой механизм формирования каркаса: когда животное скользит по наклонной поверхности, а затем восстанавливает равновесие, оно имеет определенную вероятностную тенденцию царапать поверхность и оставаться на месте. При этом он либо начинает, либо присоединяется к эшафоту. Чем больше животных проявляют такое поведение, тем менее скользкой становится наклонная поверхность, по мере роста эшафота. Структура в конце концов перестает расти, потому что муравьи, идущие следом, могут использовать существующие леса, чтобы беспрепятственно пересечь их. - В каком-то смысле даже нас удивило, насколько прост этот механизм. Если вы впервые наблюдаете эти коллективные явления, вы интуитивно думаете, что между муравьями должна быть какая-то связь. Однако в данном конкретном случае в этом нет никакой необходимости. Каждый индивид корректирует свое поведение, основываясь на собственном опыте, когда он пересекает границу" - объясняет Couzin.

Вдохновляясь природой

Поскольку человеческие технологические и социальные системы усложняются, крайне важно найти и внедрить механизмы, которые надежно и быстро исправляют ошибки, повышая стабильность.

Пример строительных лесов в армии муравьёв Eciton предлагает один из таких механизмов. Из-за своей простоты - требующей только информации о состоянии отдельных элементов вместо сложной связи на уровне группы - это может служить основой для создания надежных, но гибких инженерных систем с аналогичными распределенными формами управления.

Lutz, архитектор, чье увлечение самоорганизующимися паттернами в биологии привело к его докторской и последующим работам по коллективному поведению и самосборке в лаборатории Couzin's, заключает: "Поскольку механизм довольно прост с точки зрения восприятия и коммуникации, он может быть полезен для применения во многих масштабах, в разных дисциплинах. Они варьируются от робототехники роя, где ограничения на зондирование и связь могут быть ограничивающими факторами, до разработки самовосстанавливающихся материалов, методов биофабрикации и новых моделей адаптивной инфраструктуры."
Video:
https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021_EXTRA/learning_about_system_stability_from_ants_image_matthew_lutz_video_matthew_lutz_chris_reid_simon_garnier_and_iain_couzin.mp4

Источник:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uok-las041921.php
Tags: биология, муравьи
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 50 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →

Recent Posts from This Journal