Синергия простых мозгов

Александр Гурьянов

Биологи давно стали подозревать, что от поведения отдельного представителя  коллективных насекомых, к примеру, термитов или пчел, мало зависят действия их групп. Так муравьи по отдельности мало на что способны, но их организованная толпа может решать труднейшие, с людской точки зрения, задачи — обеспечивать муравейник пищей, защищать его, строить сложные сооружения.

Группа ученых во главе с профессором школы инженерных и прикладных наук Гарвардского университета Лакшминараньяном Махадеваном (Lakshminarayan Mahadevan) не только построила математическую модель коллективного поведения черных муравьев-плотников, но и проверила ее экспериментально с помощью роботов. Результаты этой работы опубликованы в 11 номере журнала ELife за прошлый год.

Первым делом исследователи изучили, как дюжина муравьев совместными действиями продырявливают изнутри емкость из агара, образующего плотный студень растительного заменителя желатина. Сначала они движутся в ней беспорядочно, исследуя ее границы усиками, а иногда их касанием общаются с собратьями. Спонтанно они собираются в группы. Если несколько муравьев начали прогрызать стенки «тюрьмы», то к группе присоединяются и другие. Таких групп несколько, муравьи между ними мигрируют. И постепенно образуется самая успешная и многочисленная, которая и проделывает проход.

Исследователи создали математическую модель успешности группы муравьев в заданных условиях. Изучая муравьев, ученые выявили два основных параметра задачи. Это сила взаимодействия особей и скорость прогрызания препятствии. Говоря кратко, успех приходил к тем, кто эффективно кооперируется и быстро роет.

Для проверки модели инженеры построили несколько муравьев-роботов, силу взаимодействия которых можно было регулировать. Они могли двигаться по стеклянной арене, окруженной тремя рядами магнитных цилиндров. Роботы сами имели магнитики, датчики освещенности и инфракрасные датчики контакта с предметами. Управляемый проектор света, освещающий снизу прозрачную арену, создавал световые следы роботов. Эти так называемые фотормоны имитировали феромоны муравьев.

Софт роботов содержал простые правила: двигайся по градиенту светового поля, избегай столкновений с себе подобными, хватай препятствия в областях сильной засветки, переноси их в области слабой. Эти правила и позволяли роботам быстро устранять препятствия и выбираться из ограниченного ими пространства. Меняя силу связи роботов, ученые генерировали предсказанные теорией режимы поведения роботов, в частности, меняли скорость преодоления препятствий.

Математическая модель оказалась очень гибкой, а ее простые алгоритмы, заложенные в роботов, очень устойчивы к ошибкам и сбоям. Она надежнее других программ, предназначенных для решения коллективных задач. Ее можно приспособить для решения многих других проблем, например строительства, поиска, спасения, защиты. Модель легко масштабировать на десятки и сотни роботов, использующих разные способы коммуникации.


eLife, 2022; 11

Разные разности
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...
Этанол против гриппа
Во время пандемии ковида в соцсетях распространилось видео, на котором наш соотечественник демонстрировал свой метод лечения ковида — ингаляцию парами этанола. Но тогда над ним посмеялись и отмахнулись. Похоже — зря. Японские исследователи ...
Пишут, что...
…за последнее десятилетие плотность тихоокеанских устриц Magallana gigas в двух заливах Южной Калифорнии увеличилась в 32 раза, что совпадает с летним повышением температуры морской воды на 2–4°C… …пластырь с микроиглами против ...