Наука о подземных городах муравьев

Представьте себе муравейник. Что вы видите? Невзрачная горка из грязи, листочков и иголочек лиственницы и копошащихся муравьишек? Не очень впечатляет, правда?

Но стоит заглянуть внутрь, и наружная простота уступит место совершенно не простым витиеватым туннелям. Эти туннели спускаются вниз, разветвляясь, ведут к специализированным камерам, которые служат домом для королевы колонии, рассадниками для ее детенышей, фермами для выращивания грибов для еды и свалками для мусора. Это не просто норы. Это подземные города, некоторые из которых являются домом для миллионов особей, простирающиеся до 7,5 метров под землей.

Такое строительство было бы впечатляющим мероприятием для большинства существ, но когда его выполняют животные, которые не намного больше, чем ваш ноготь, это особенно замечательно.

Теперь, движимая желанием улучшить нашу способность копать под землей - будь то добыча полезных ископаемых, метро или подземное сельское хозяйство - команда исследователей из Калифорнийского технологического института раскрыла один из секретов того, как муравьи строят эти удивительно сложные и стабильные конструкции.

Во главе с лабораторией Хосе Андраде, профессора гражданского строительства и машиностроения Джорджа У. Хауснера, команда поставила перед собой ключевой вопрос исследования:

Задумываются ли муравьи о том как и куда копают?

Перед тем, как начать это исследование, Андраде, который также является председателем совета директоров Сесила и Салли Дринкуорд ​​и исполнительным директором по машиностроению и гражданскому строительству, хотел ответить на большой вопрос: «умеют ли муравьи» рыть туннели, или они просто слепо копают?

«Меня вдохновили эксгумированные муравьиные гнезда, в которые вливают пластик или расплавленный металл, и вы видите эти огромные туннельные системы, которые невероятно впечатляют», - говорит Андраде. «Я увидел фотографию одного из них рядом с человеком и подумал:« Боже мой, какая фантастическая структура ». И мне стало интересно, осознано ли муравьи копают".

«Мы не брали интервью у муравьев, чтобы спросить, знают ли они, что делают, но мы начали с гипотезы, что они копают сознательно», - говорит Андраде. «Мы предположили, что, возможно, муравьи играли в Дженгу».

Под «игрой в Дженгу» он имел в виду то, что команда подозревала, что муравьи ощупывают землю в поисках рыхлых зерен почвы, которые нужно удалить, почти так же, как человек, играющий в Дженгу, проверяет наличие шатко стоящих блоков, которые можно безопасно удалить и вынуть из стопки. Блоки, которые нельзя удалить - те, которые являются несущими, - считаются частью «силовых цепей» конструкции, совокупностью частей, скрепленных друг с другом силами, приложенными к ним.

«Мы выдвинули гипотезу, что муравьи могут чувствовать эти силовые цепи и избегали копать в них», - говорит Андраде. «Мы подумали, что, может быть, они постукивали по зернам почвы и таким образом могли оценить механические силы, действующие на них».

Затем команда Андраде приступила к анализу того, что на самом деле делали муравьи во время работы, и выявило несколько закономерностей. Во-первых, говорит Андраде, муравьи старались действовать максимально эффективно. Это означало, что они вырыли свои туннели по внутренним краям чашек, потому что сама чаша будет действовать как часть их туннельных структур, что уменьшит объем работы для них. Они также рыли свои туннели по возможности прямо.

«Это имеет смысл, потому что прямая линия - это кратчайший путь между двумя точками», - говорит Андраде. «И то, что они воспользовались преимуществами стенок контейнера, это показывает, что муравьи очень эффективны в том, что они делают».

Муравьи также рыли свои туннели так круто, как только могли, вплоть до так называемого угла покоя. угол, образованный свободной поверхностью рыхлой горной массы или иного сыпучего вещества с горизонтальной плоскостью. Частицы вещества, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние предельного (критического) равновесия. Если говорить проще, то представьте что вы насыпаете в одно место песок. Образуется конусообразная горка. И её вершина будет основанием угла спокойствия.

«Как в инженерии, так и в экологии муравьев остается загадкой, как муравьи строят эти структуры, сохраняющиеся десятилетиями», - говорит Паркер. «Оказывается, удаляя зерна в этом паттерне, который мы наблюдали, муравьи извлекают выгоду из этих круговых силовых цепей, когда они копают землю».

Но как насчет центрального вопроса гипотезы команды? Задумываются ли муравьи о том как и куда копают? Осознанное ли это действие, или продиктовано инстинктами?

«Мы обнаружили, что они, похоже, не «знали», что делают», - говорит Андраде. «Они не искали систематически мягкие места в песке. Скорее, они эволюционировали, чтобы копать в соответствии с законами физики».

Паркер называет это поведенческим алгоритмом.

«Этот алгоритм не существует в пределах одного муравья», - говорит он. «Это возникающее колониальное поведение всех этих рабочих, действующих как единый супер организм. То, как эта поведенческая программа распространяется по крошечным мозгам всех этих муравьев, - это чудо естественного мира, которое мы пока не можем объяснить».

Андраде говорит, что надеется начать работу над подходом с искусственным интеллектом, который сможет имитировать этот алгоритм поведения, чтобы он мог имитировать копание муравьев на компьютере. По словам Андраде, часть этой эмуляции будет определять, как масштабировать физику муравьев для туннелей размером с человека.

«Гранулированные материалы масштабируются по-другому, чем другие материалы, такие как жидкости или твердые тела», - говорит он. «Вы можете перейти от экспериментов с масштабом зерен, в данном случае несколько миллиметров, к шкале метров, масштабируя коэффициент межкристаллитного трения».

Каков будет следующий шаг после этого? Роботизированные муравьи, которые могут рыть туннели для людей.

«Перемещение сыпучих материалов требует больших затрат энергии и очень дорого, и вам всегда нужен оператор, управляющий машинами», - говорит он.